INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS PARA LA …e-spacio.uned.es/fez/eserv/tesisuned:Ciencias-Sferrera/...grupos de investigación, le han facilitado el trabajo diario en el laboratorio, habiendo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÁNICA Y QUÍMICA TÉCNICA

INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS PARA LA SÍNTESIS

DE HETEROCICLOS NITROGENADOS: CARBONES

ACTIVADOS Y ACTIVACIÓN ULTRASÓNICA

TESIS DOCTORAL

SANTIAGO FERRERA ESCUDERO

Licenciado en Ciencias Químicas

DIRECTORES:

Vanesa Calvino Casilda

Carlos Javier Durán Valle

AÑO 2016

2

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA INORGÁNICA Y QUÍMICA TÉCNICA

INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS PARA LA SÍNTESIS

DE HETEROCICLOS NITROGENADOS: CARBONES

ACTIVADOS Y ACTIVACIÓN ULTRASÓNICA

SANTIAGO FERRERA ESCUDERO

Licenciado en Ciencias Químicas

DIRECTORES:

Vanesa Calvino Casilda

Carlos Javier Durán Valle

AÑO 2016

4

Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica

Facultad de Ciencias

Universidad Nacional de Educación a Distancia

Dña. Vanesa CALVINO CASILDA, Contratada Postdoctoral Docente e Investigadora del Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la UNED y D. Carlos Javier DURÁN VALLE, Profesor Titular de Universidad del Departamento de Química Orgánica e Inorgánica de la Universidad de Extremadura,

INFORMAN: Que D. Santiago FERRERA ESCUDERO, Licenciado en Ciencias Químicas,

ha realizado su tesis Doctoral en el grupo de investigación “Catálisis no Convencional Aplicada a la Química Verde” en el Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la UNED, y en el grupo de investigación “Química Sostenible y medioambiental”, de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Extremadura.

Durante la realización de este trabajo D. Santiago Ferrera Escudero se ha mostrado como un doctorando muy responsable, interesado por su trabajo y ha estado dispuesto a realizar, con gran aprovechamiento, sus estancias en nuestros laboratorios, tanto de Madrid, como de Badajoz, siendo el resposable de la auto-organización y estructuración de su trabajo, en función de las tareas a realizar en cada uno de los laboratorios. Gracias a ello, las investigaciones llevadas a cabo son de carácter multidisciplinar, habiendo sido capaz de finalizarlas muy satisfactoriamente.

Su carácter dinámico y su trato amable con todos los integrantes de ambos grupos de investigación, le han facilitado el trabajo diario en el laboratorio, habiendo sido capaz de crear un clima de compañerismo que le ha acompañado durante todos los años que ha durado esta investigación.

Su formación viene avalada por la presentación de los resultados obtenidos en congresos de ámbito nacional e internacional, y por la publicación de 1 patente y 5 artículos científicos en revistas internacionales especializadas, tres de los cuales forman parte del contenido de esta memoria de tesis doctoral, presentada en la modalidad de “por artículos”. Todas las revistas en las que se ha publicado son de elevado índice de impacto en su categoría:

6

1. “The effect of ultrasound on the catalytic activity of alkaline carbons:Preparation of N-alkyl imidazoles”Applied Surface Science, 2004,238, 97-100.

2. “Ultrasound-promoted N-propargylation of imiazole by alkaline-dopedcarbons”. Carbon, 2004, 42,1362–1366

3. “Alkylation of imidazole under ultrasound irradiation over alkaline carbons”.Applied Surface Science, 2006, 252, 6089-6092

4. “Green chemistry: Efficient epoxides ring-opening with 1-butanol undermicrowave irradiation”, Applied Surface Science, 2006, 252, 6064-6066.

5. Patente: “Carbón de carácter ácido, su procedimiento de preparación y su usocomo catalizador en procesos de conversión catalítica de compuestosorgánicos”, Rosa Mª Martín Aranda, Carlos Javier Durán Valle, SantiagoFerrera Escudero, Nº de solicitud: P200501605, Nº de publicaciónES22755415.Concesión el 2-abr-2008. Publicado en BOPI: 1-jun-2008.

6. “The effect of ultrasound on the N-alkylation of imidazole over alkalinecarbons: Kinetic aspects”. Appied Catalysis A: General, 2010, 378, 26–32

Por todo ello, informamos que esta Tesis Doctoral titulada: “Intensificación de procesos para la síntesis de heterociclos nitrogenados: carbones activados y activación ultrasónica” realizada bajo nuestra dirección por D. Santiago Ferrera Escudero, reúne todos los requisitos, por lo que autorizamos su presentación y posterior defensa pública.

Madrid, 25 de noviembre de 2015

Fdo: Vanesa Calvino Casilda Fdo: Carlos Javier Durán Valle

Las investigaciones realizadas en la presente memoria han sido financiadas con cargo a los proyectos del Ministerio de Ciencia e Innovacion: CTM2007-60577/TECNO, MAT-2006-04486, NAN2006-27758-E y CTM-2014-56668-R y al proyecto de la Junta de Extremadura GRU09027.

8

A mi esposa, Mª Angeles e hijos David y Cristina-Zulema,

por su paciencia y aliento en todos estos años que ha durado

la investigación

10

Las investigaciones realizadas en la presente memoria han sido financiadas con cargo a los proyectos del Ministerio de Ciencia e Innovacion: CTM2007-60577/TECNO, MAT-2006-04486, NAN2006-27758-E y CTM-2014-56668-R y al proyecto de la Junta de Extremadura GRU09027.

12

-Ninguna ciencia, en cuanto a ciencia engañaría; el engaño está en quien no sabe-

Miguel de Cervantes Saavedra. (Los trabajos de Persiles y Segismunda)

AGRADECIMIENTOS

Cuando concluyes un trabajo al que has dedicado tanto esfuerzo, tanta ilusión y

tantos años, eres consciente de que, sin duda, lo has conseguido gracias a la ayuda y

apoyo de mucha gente. Por ello, quiero mostrar mi agradecimiento a todos aquellos que

han hecho posible la realización de esta tesis doctoral.

En primer lugar, a los directores de esta trabajo de tesis doctoral, Dra. Vanesa

Calvino Casilda, del Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la

UNED y al Dr. Carlos Javier Durán Valle, del Departamento de Química Orgánica e

Inorgánica de la Universidad de Extremadura, por todo el tiempo que me han dedicado.

A los dos, quiero agradecerles su confianza, consejos, apoyo y los medios que me han

facilitado, en todo momento para poder desarrollar mi trabajo de investigación, además

de su accesibilidad durante estos años.

También quiero expresar mi agradecimiento a la Profesora Rosa María Martín

Aranda del Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica, por ofrecerme la

posibilidad de llevar a cabo mi formación en la UNED, y por orientarme, en todo

momento.

También, al resto de profesores de ambos Departamentos, por su disposición a

ayudarme y su contribución a mi formación, en especial a los profesores Antonio José

López Peinado, María Luisa Rojas Cervantes, de la UNED.

Quiero agradecer al Instituto del Corcho, la Madera y el Carbón, de la Junta de

Extremadura que me permitiese utilizar sus instalaciones para realizar parte del trabajo

experimental. Y al Departamento de Química Orgánica e Inorgánica de la Universidad

de Extremadura por la misma razón.

Mi más sincero agradecimiento a María José Viejobueno, por haber colaborado

en la parte de gestión que conlleva una tesis doctoral, y por facilitarme todos los

trámites.

Y sobre todo a mis compañeros y amigos de toda la vida con los que he pasado

muchos ratos y a los que agradezco su apoyo, su ayuda, y todos los buenos momentos

que hemos compartido.

Por último, deseo expresar mi más sincero agradecimiento a mi familia, a mi

esposa Mª Ángeles, a mis hijos David y Cistina-Zulema por la paciencia y su constante

apoyo en todos estos años que ha durado la investigación.

18

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………….33

1.1. QUÍMICA FINA Y QUÍMICA VERDE………………………………………….33

1.2. CATÁLISIS HETEROGÉNEA……………………………………………….…..35

1.3. CARBONES ACTIVADOS EN CATÁLISIS HETEROGÉNEA………….……37

1.4. SÍNTESIS ORGÁNICAS ACTIVADAS POR RADIACIÓN ULTRASONIDOS.42

1.5. SÍNTESIS DE DERIVADOS DE PRODUCTOS DE QUÍMICA FINA………..48

1.5.1. Síntesis de derivados azólicos N-alquilados con actividad antifúngica,

antiviral y bactericida…………………………………………………………….48

1.5.1.1. Azoles antimicóticos, derivados de imidazol…..………………...……….49

1.5.1.2. Azoles antivirales derivados de imidazol…..………………………....…..50

2. OBJETIVOS………………………………………………………………………..55

2.1. SINTETIZAR LOS SÓLIDOS OBJETO DE ESTUDIO……………..…………55

2.2. CARACTERIZAR LOS SÓLIDOS OBJETO DE ESTUDIO…………………...56

2.3. EVALUAR LA ACTIVIDAD CATALÍTICA DE LOS DIFERENTES SÓLIDOS SINTETIZADOS............................................................................................................56

2.4. SINTETIZAR HETEROCICLOS NITROGENADOS CON ACTIVIDAD BIOLÓGICA…………………………………………………………………………...57

3. PARTE EXPERIMENTAL………………………………………………………..61

3.1. EQUIPOS………………………………...………………………………………..61

3.2. REACTIVOS Y DISOLVENTES……………………………………...………….61

3.3. PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES…………………………………….62

3.3.1. Preparación de los catalizadores………………………………………..62

3.3.2. Alquilación de imidazol con 1-bromobutano…………………………...63

3.3.3. Propargilación de imidazol……………………………………………...64

3.3.4. Reciclabilidad de los catalizadores……………………………………...64

20

3.4. TÉCNICAS EMPLEADAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE CATALIZADORES…………………………………………………………………....65

3.4.1. Adsorción de nitrógeno y dióxido de carbono, caracterización textural...65

3.4.2. Caracterización química y estructural de los catalizadores……………..68

3.4.2.1. Analisis elemental…………………………………….…………..69

3.4.2.2. Espectroscopia Fotoelectrónica de rayos X (XPS)………………69

3.4.2.3. Análisis Térmico…………………………………….……………72

3.4.2.4. Medidas de pH de los catalizadores……………………………...74

3.5. SISTEMAS DE REACCIÓN……………………………………………………..74

3.5.1. Reactor discontínuo (batch)……………….……….………………………74

3.5.2. Reactor de ultrasonidos…………………….…………………………...….75

3.5.3. Análisis de productos de reacción…………………………………………76

4. RESULTADOS…………………………………………………………………..…81

4.1. ACTIVACIÓN ULTRASÓNICA PARA LA N-PROPARGILACIÓN DE IMIDAZOL MEDIANTE EL USO DE CARBONES ALCALINOS……………....…83

4.2. ALQUILACIÓN DE IMIDAZOL BAJO RADIACIÓN ULTRASÓNICA EMPLEANDO CARBONES ALCALINOS…………………………………………..89

4.3. EFECTO DE LA RADIACIÓN ULTRASÓNICA EN LA N-ALQUILACIÓN DE IMIDAZOL SOBRE CARBONES ALCALINOS: ASPECTOS CINÉTICOS………95

5. DISCUSION INTEGRADORA…………………………………………………..103

5.1. SÍNTESIS DE LOS CATALIZADORES……………………………………….105

5.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS CATALIZADORES………………………….105

5.2.1. Textura/Estructura………………………………..….………………….105

5.2.1.1. Medidas de pH………………………………………..…………105

5.2.1.2. Adsorción de nitrógeno………………………………………….107

5.2.1.3. Adsorción de dióxido de carbono……………………………110

5.2.1.4. Análisis Térmico……………………………………………...111

5.2.1.5. Espectroscopia de absorción atómica. Analisis elemental….113

5.2.1.6. Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS)…………...113

5.3. ACTIVIDAD CATALÍTICA…………………………………………………….115

5.3.1. Reacción de alquilación de imidazol…………………………………..116

5.3.1.1. Reacciones de alquilación de imidazol con 1-bromobutano: mecanismo…….…………………………………………..…………..117

5.3.1.2 Reacción de alquilación en reactor discontinuo………….…118

5.3.1.3 Raección de alquilación en baño de ultasonidos…………….122

5.3.1.4 Activación térmica convencional frente a activación ultrasónica………………………………………………………..…...124

5.3.1.5 Estudio cinético y mecanismo de la reacción de alquilación de imidazol con 1-bromobutano…………………..……………………..126

5.3.2. Reacción de propargilación de imidazol………………………………130

6. CONCLUSIONES……………………………………………………………...….135

7. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………..145

22

23

FIGURAS

Figura 1. La Química Sostenible, un proceso de reducción…………...………………35

Figura 2. Estructura del carbón activado (izquierda) y carbón grafitico (derecha)…....38

Figura 3. Grupos superficiales oxigenados presentes en un carbón activado…………39

Figura 4. Enlaces de hidrógeno que forman las moléculas de H2O con los grupos

oxigenados y entre sí en el interior de la estructura porosa de un carbón activado….....40

Figura 5. Adsorción de moléculas en los poros de un carbón activado…………….….41

Figura 6. Microporos, mesoporos y macroporos de un carbón activado………………42

Figura 7. Rangos de frecuencia del sonido y ultrasonido. Luque de Castro et al [41]...44

Figura 8. Crecimiento y colapso de las microburbujas en ultrasonidos. Luque de Castro

et al. [41]………………………………………………………………………………..45

Figura 9. Ejemplos de estructuras químicas de imidazoles comercializados en España:

miconazol (A), ketoconazol (B) y bifonazol (C)……………………………………….50

Figura 10. Estructura de los antivirales imidazólicos: Aciclovir, Ganciclovir,

Penciclovir y Famciclovir………………………………………………………………51

Figura 11. Reactor discontinuo (batch)......……………………………………………75

Figura 12. Reactor de ultrasonidos…………………………………………………….76

Figura 13. Isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno del carbón activado de

partida RX-1-EXTRA-Norit…………………………………………………………..107

Figura 14. Isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno de los catalizadores Na-

Norit, Cs-Norit y NaCs-Norit………………………………………………………...108

Figura 15. Imidazol, equilibrio de transferencia protónica ...............…………….......116

Figura 16. Mecanismo de reacción en la alquilación de imidazol en medio básico….117

Figura 17. Alquilación de imidazol con 1-bromobutano………….………………….117

24

Figura 18. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (15 mmol) en

presencia de carbones alcalinos como catalizadores: (A) serie M-Norit y (B) serie MM-

Norit…………………………………………………………………………………...119

Figura 19. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (15 mmol)

usando como catalizadores: Na-Norit (0.025 g) (A) y NaCs-Norit (0.025 g) (B) …...120

Figura 20. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (15 mmol) a 333 K

usando diferentes cantidades de catalizador Na-Norit (0.025 g) (A) y NaCs-Norit

(0.025g) (B)..………………………………………………………………………….121

Figura 21. Conversión obtenida en la reacción de alquilación de imidazol (5 mmol) con

1-bromobutano (15 mmol) bajo activación térmica convencional y bajo activación por

ultrasonidos usando 0.050 g de catalizador monometálico (M-Norit) a diferentes

temperaturas. (A) Na-Norit y (B) Cs-Norit. Tiempo de reacción: 60 min....…………124


1-bromobutano (15 mmol) bajo activación térmica convencional usando 0.05 g de

catalizador bimetálico (MM´-Norit) a diferentes temperaturas para la serie de

catalizadores MM-Norit. Tiempo de reacción: 60 min……………………….………125

Figura 23. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (15 mmol) bajo

activación térmica convencional y bajo activación ultrasónica usando 0.025 g de Cs-

Norit como catalizador a 293K (A) y a 333K (B)………………………….…………126

Figura 24. Mecanismo para la reacción de N-Alquilación de imidazol con haluros de

alquilo en presencia de carbones básicos como catalizadores………………………...127

Figura 25. Cinética de pseudo primer orden para la reacción de N-Alquilación de

imidazol con 1-bromobutano. Condiciones de reacción para este experimento mostrado

en el gráfico: imidazol (5 mmol), 1-bromobutano (15 mmol), catalizador Na-Norit

(0.025 g), temperatura de reacción: 313K……………………………………………128

Figura 26. Propargilación de imidazol……………………………………………….131

25

26

27

TABLAS

Tabla 1. Grupos superficiales asignados a los picos, XPS……………………..……71

Tabla 2. Identificación de grupos oxigenados atendiendo a su descomposición por

desorción térmica programada………………………………………………………….73

Tabla 3. Tiempos de retención de los reactivos………………………………………..77

Tabla 4. Tiempos de retención de los productos………………………………………77

Tabla 5. Espectrometría de masas de los productos de alquilación……………………78

Tabla 6. Valores de pH en disolución acuosa de los carbones básicos.......………….106

Tabla 7. Medidas de área superficial BET, distribución de volumen de poro y diámetro

medio de poro obtenidos por adsorción de nitrógeno para el carbón Norit de partida y

los carbones básicos…………………………………………………………………...108

Tabla 8. Medidas de área microporosa y volumen de microporo del carbón activado

Norit de partida y de los carbones alcalino-Norit obtenidas por adsorción de CO2 a

273K………………………………………………………………………………….110

Tabla 9. Análisis termogravimétrico del carbón Norit de partida y los carbones

alcalinos monometálicos y bimetálicos....................…………..……………………...112

Tabla 10. Análisis elemental por absorción atómica de algunos carbones

básicos………………………………………………………………………………...113

Tabla 11. Energías de ligadura (eV) de electrones internos y relaciones atómicas

superficiales del carbón de partida Norit y de los carbones alcalinos monometálicos y

bimetálicos…………………………..………………………………………………...115

Tabla 12. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (15 mmol) bajo

activación por ultrasonidos. Serie de catalizadores M-Norit………………………….123


activación por ultrasonidos. Serie de catalizadores MM´-Norit...…………………….123

28

Tabla 14. Constantes cinéticas para la reacción de N-Alquilación de imidazol con 1-

bromobutano bajo activación térmica convencional (batch) y bajo activación por

ultrasonidos en presencia de los catalizadores de carbón alcalinos…………………...129

Tabla 15. Propargilación de imidazol empleando como catalizador el soporte Norit sin

tratar…………………………………………………………………………………...132

Tabla 16. Propargilación de imidazol empleando los carbones alcalinos como

catalizadores. Tiempo de reacción 120 min…………………………………………..132

29

ABREVIATURAS

BDDT, Brunauer-Deming-Deming-Teller

BET, Brunauer-Emmet-Teller

DFT, Teoría del funcional de la densidad

DR, Dubinin-Radushkevich

DRS, Dubinin-Radushkevich-Stoeckli

TG, Termogravimetría

DTG, Termogravimetría derivativa

TG-ATD: Termogravimetría-Análisis Térmico Diferencial

eV, electrón voltio

IUPAC, Unión Internacional de Química Pura y Aplicada

nm, nanómetro

n(p), cantidad de gas adsorbido a la presión p

P, presión

p°, presión de saturación del adsorbible puro a la temperatura de la medida

VMESO, volumen de mesoporos

VMICRO, volumen de microporos

XPS, Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos-X

30

31

1. INTRODUCCIÓN

32

INTRODUCCIÓN

33

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Química Fina y Química Verde

Los productos de Química Fina se obtienen generalmente a través de

transformaciones químicas y biológicas, empleando recursos naturales que requieren

elaborados procesos de aislamiento y purificación. Se trata de productos de un alto valor

añadido, de composición y estructura conocidas. Su producción debe cumplir con

estrictas especificaciones y generalmente es a escala pequeña asegurando de esta forma

un máximo control. Forman parte de componentes en diversas formulaciones y también

son intermediarios en la producción de compuestos químicos aún más complejos [1].

Tradicionalmente los productos de Química Fina se sintetizaban sin catalizador

generándose gran cantidad de subproductos [2]. La complejidad de estas moléculas, el

elevado número de etapas de síntesis necesarias así como la alta pureza exigida en la

síntesis de estos productos son la causa de que estos procesos no fuesen considerados

previamente aceptables desde el punto de vista medioambiental [3]. Sin embargo, desde

principios de los años ochenta la aplicación de métodos catalíticos permitió mejorar el

proceso de producción y eliminar o transformar subproductos no deseados y/o tóxicos

[4,5].

En el pasado el principal objetivo de las industrias químicas era la reducción de

costes [6]. Sin embargo a partir de los años 90 el principal objetivo consistió en

conseguir un desarrollo equilibrado y sostenible, desarrollar procesos altamente

selectivos y con bajo impacto ambiental. Concretamente en 1993, Anastas marcó un

punto de partida en estas investigaciones cuando estableció oficialmente en la Agencia

de protección medioambiental de Estados Unidos (EPA) lo que se conoce como Green

Chemistry, Química Verde (QS) o Química Sostenible (QV) y que definió como una

forma eficaz de atacar la contaminación química diseñando productos y procesos

químicos que reduzcan o eliminen el uso y generación de sustancias peligrosas [7].

Desde entonces, la Química Sostenible o Química Verde ha crecido de forma sustancial

debido al gran desarrollo científico guiado por la necesidad económica de lograr un

desarrollo sostenible. Según Anastas, el diseño de productos y rutas

medioambientalmente aceptables se guía siguiendo los 12 principios de la Química

Verde [8-10].

Intensificación de procesos para la síntesis de heterociclos nitrogenados: Carbones activados y activación ultrasónica

34

Los 12 principios de la Química Verde se resumen a continuación:

1. PREVENCIÓN DE LOS RESIDUOS. Prevenir los residuos desde el principioes mejor que tratarlos o eliminarlos a posteriori.

2. ECONOMIA ATÓMICA. Diseñar métodos sintéticos que maximicen laincorporación de todos los átomos de los materiales de partida en el productofinal, minimizando la formación de subproductos.

3. SÍNTESIS MÁS SEGURAS. Diseñar métodos sintéticos que minimicen el uso ygeneración de sustancias tóxicas.

4. PRODUCTOS MENOS TÓXICOS. Minimizar tanto el uso de reactivosquímicos tóxicos como la generación de productos de elevada toxicidad.

5. EVITAR EL USO DE SUSTANCIAS AUXILIARIES. Minimizar el uso dedisolventes y otras sustancias auxiliares, y que sean lo más inocuas posible.

6. EFICIENCIA ENERGÉTICA. Minimizar la energía utilizada en procesosquímicos, y si es posible, realizarlos a temperatura ambiente y presiónatmosférica.

7. MATERIAS PRIMAS RENOVABLES. Utilizar la biomasa y otras materiasprimas renovables siempre que sea posible.

8. REDUCCIÓN DE LAS ETAPAS DE DERIVACIÓN. Minimizar el uso degrupos protectores y otras modificaciones temporales de intermedios.

9. CATÁLISIS. Utilizar preferentemente sistemas catalíticos, tan selectivos comosea posible, frente a catalizadores en cantidades estequiométricas.

10. DEGRADABILIDAD. Diseñar productos químicos para su disponibilidadeventual, de modo que puedan ser destruidos posteriormente en compuestos nonocivos, que no persistan en el medio ambiente.

11. PREVENCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN. Desarrollar métodos demonitorización y control de procesos químicos que permitan evaluar en tiemporeal la formación de sustancias peligrosas.

12. PREVENCIÓN DE LOS ACCIDENTES. Elegir procesos y prácticas queminimicen la posibilidad de accidentes químicos, incluyendo derrames,explosiones y fuegos.

INTRODUCCIÓN

35

En la actualidad, la Química Sostenible se ha convertido en una herramienta

imprescindible para introducir mejoras tecnológicas implantando para ello procesos

menos contaminantes y más eficaces energéticamente [11-13]. El camino más eficiente

para lograrlo, consiste en diseñar nuevos procesos y productos útiles y viables

comercialmente pero de toxicidad reducida. Cualquier proceso productivo debe tener un

control ambiental en todo momento para evitar o minimizar en lo posible la generación

de contaminantes. La Química Sostenible se puede considerar como un proceso de

reducción en costes, energía, residuos, materiales, planta, riesgo y peligrosidad, y

compuestos orgánicos volátiles (Figura 1).

Figura 1. La Química Sostenible, un proceso de reducción

1.2. CATÁLISIS HETEROGÉNEA

La catálisis constituye una de las bases en las que se apoya la Química

Sostenible. El diseño y la aplicación de nuevos catalizadores y sistemas catalíticos

proporcionan la posibilidad de lograr simultáneamente un doble objetivo; la protección


36

del medioambiente y un beneficio económico [14]. A mediados de los años 90, el 80%

de las síntesis orgánicas en las industrias de Química Fina se llevaban a cabo sin

catalizador [15,16]. Desde entonces, se viene trabajando permanentemente en la

utilización de la catálisis y en concreto, en procesos catalíticos para la obtención de

productos de Química Fina y sus intermedios. Los catalizadores pueden contribuir de

dos maneras en la síntesis de dichos productos; por un lado mejorando el proceso de

producción (producción más limpia y respetuosa con el medioambiente), y por otro

eliminando o transformando subproductos no deseados y/o tóxicos.

La catálisis, constituye una herramienta esencial para conseguir procesos

altamente selectivos gracias al efecto que tienen los catalizadores sobre la velocidad de

reacción y sobre los distintos tipos de selectividad. De forma particular, los

catalizadores heterogéneos, tienen una gran repercusión económica gracias a sus

características de actividad, selectividad y durabilidad que favorecen su aplicación en

condiciones de presión y temperaturas muy diversas [3,17]. Además, la sustitución de

catalizadores líquidos homogéneos por catalizadores sólidos heterogéneos, proporciona

una serie de ventajas adicionales como son la reducción de vertidos (efluentes

conteniendo sales inorgánicas) así como su fácil separación y reutilización.

Históricamente, la catálisis heterogénea ácida había despertado mayor interés

que la básica por su empleo en el refino de petróleo y en los procesos de craqueo, de los

más importantes en la industria química [18]. A finales de los años 90, Tanabe y

Hölderich contabilizaron las aplicaciones industriales que habían sido realizadas hasta el

momento empleando catalizadores sólidos ácidos y básicos (8% básicos, 81% ácidos y

11% bifuncionales ácido-base) [19]. Desde entonces, el empleo de catalizadores sólidos

básicos ha crecido intermitentemente llegando a jugar un papel importante en diversos

procesos catalíticos del sector de la Química Fina [18, 20-23]. La mayoría de estos

procesos de fabricación de productos de Química Fina e intermedios orgánicos habían

sido catalizados hasta hace pocos años por soluciones acuosas básicas, existiendo

todavía en la actualidad procesos que utilizan la química tradicional en fase líquida.

Algunos de los inconvenientes de la catálisis homogénea, como se comentó

anteriormente, son la difícil recuperación del catalizador, problemas de corrosión de los

reactores y la formación de efluentes acuosos como consecuencia de la neutralización

de dichos ácidos o bases. En definitiva, la catálisis básica heterogénea constituye uno de

los campos de investigación de la catálisis más importante y en pleno desarrollo, desde

INTRODUCCIÓN

37

el punto de vista económico y medioambiental, elaborando rutas catalíticas más

ecoeficientes y sostenibles [24].

El primer estudio empleando catalizadores básicos heterogéneos fue llevado a

cabo por Pines et al [25] dispersando sodio metálico en alúmina para su aplicación en

reacciones de alquenos. Desde entonces, se han reconocido un número considerable de

catalizadores básicos heterogéneos que son utilizados principalmente en el campo de la

síntesis orgánica; óxidos de metales alcalinos y alcalinotérreos, alúmina, zeolitas,

metales alcalinos soportados sobre alúmina y sílice, hidrotalcitas, sepiolitas y carbones

son algunos de ellos [26].

1.3. CARBONES ACTIVADOS EN CATÁLISIS HETEROGÉNEA

El carbón activado es un material carbonoso que posee un elevado grado de

porosidad y una gran superficie interna. La preparación de un carbón activado se lleva a

cabo a través de un proceso de carbonización al cual se adicionan en ocasiones

productos químicos durante y después del proceso. El carbón activado es un adsorbente

muy versátil donde el tamaño y la distribución de los poros en su estructura carbonosa

pueden ser controlados con el fin de satisfacer cualquier necesidad tecnológica. Los

carbones activados comerciales se preparan empleando materiales precursores con un

alto contenido en carbono, principalmente materiales orgánicos como madera, huesos y

cáscaras de semillas de frutos así como también, carbón mineral, breas, turba y coque.

La elección del precursor depende principalmente de su disponibilidad, precio y pureza,

aunque el proceso de fabricación y la posible aplicación del producto final son factores

también a tener en cuenta. El interés en la utilización de los carbones activados radica

en algunas de sus propiedades como son su gran estabilidad térmica, su resistencia al

ataque de ácidos, su carácter esencialmente hidrófobo, su bajo precio y su estructura

porosa [27].

Desde el punto de vista de su composición química, un carbón activado es un

carbón prácticamente puro, como el diamante, el grafito, el negro de humo y los

diversos carbones minerales o de leña, modificado para poseer una gran área superficial

normalmente de entre 500 a 1500 m2/g. Se puede decir que la diferencia fundamental

entre uno y otro tipo de carbón se encuentra en la estructura o disposición de sus


38

átomos. Así, en un carbón activado los átomos de carbono se distribuyen de forma

irregular en forma de láminas aromáticas. Estas láminas presentan dimensiones

limitadas y se encuentran apiladas con espacios entre ellas que constituyen la porosidad

del carbón (Figura 2, izquierda) [28]. Es su estructura porosa interna altamente

desarrollada y accesible la que permite que sea utilizado en procesos de adsorción [29].

Este ordenamiento al azar de las láminas y el entrecruzamiento entre ellas impiden el

ordenamiento de su estructura como en el grafito (Figura 2, derecha), aun cuando se

trate térmicamente hasta 3000 ºC. Las láminas de anillos aromáticos condensados

presentan átomos de carbono que poseen electrones desapareados y valencias

residuales, estos son más reactivos y constituyen los sitios o centros activos del carbón

[30].

Figura 2. Estructura del carbón activado (izquierda) y carbón grafitico (derecha)

Las propiedades adsorbentes de un carbón activado están definidas por su

naturaleza química y por su estructura porosa. En la superficie del carbón activado, los

átomos de carbono dentro de los planos basales que poseen orbitales π con electrones

deslocalizados, los heteroátomos (hidrógeno, oxígeno y nitrógeno) y los componentes

inorgánicos procedentes de las cenizas, juegan un papel importante en los procesos de

adsorción. Los heteroátomos se pueden encontrar unidos a los átomos de carbono de las

láminas aromáticas o formando anillos heterocíclicos. En particular, el oxígeno es el

segundo elemento más abundante en la composición de un carbón activado. La mayoría

de los grupos superficiales que pueden encontrarse en un carbón son grupos oxigenados

(grupos hidroxilo, carbonilo, carboxilo, etc.), debido a la tendencia de los carbones a

oxidarse incluso a temperatura ambiente. Estos grupos oxigenados superficiales le

confieren al carbón activado un carácter anfótero coexistiendo además con grupos

INTRODUCCIÓN

39

superficiales de carácter ácido y básico (grupos éter, γ-pirona, cromeno y dicetona)

(Figura 3). El hecho de que un carbón sea ácido o básico depende de la concentración

de estos grupos en su estructura y de la fuerza que presenten como ácido o como base

[31]. La presencia de estos grupos en un carbón activado puede ser debida al material de

partida, al proceso de activación empleado y a un tratamiento de oxidación en fase

gaseosa o líquida tras su activación. Su eliminación también es posible parcial o

totalmente mediante un tratamiento térmico en una atmósfera adecuada [30-33]. Sin

embargo, algunos autores han propuesto que el principal responsable del carácter básico

de los carbones activados es el sistema de electrones π de los anillos aromáticos

condensados [34].

Figura 3. Grupos superficiales oxigenados presentes en un carbón activado

La presencia o ausencia de grupos superficiales así como el mayor o menor

grado de deslocalización de los electrones π en la estructura de un carbón activado,

afecta a su interacción con otros elementos o compuestos. Como se comentaba

anteriormente, los carbones activados poseen un carácter hidrófobo que es posible


40

atenuar aumentando el número de grupos superficiales polares mediante oxidación de su

superficie con un agente oxidante adecuado. Los grupos oxigenados constituyen centros

primarios de adsorción de moléculas de agua que a su vez adsorben nuevas moléculas

mediante enlaces de hidrógeno aumentando el carácter hidrófilo de los carbones

(Figura 4).

Figura 4. Enlaces de hidrógeno que forman las moléculas de H2O con los grupos

oxigenados y entre sí en el interior de la estructura porosa de un carbón activado

La adsorción de moléculas gaseosas o líquidas en la estructura de un carbón

tiene lugar mediante fuerzas físicas del tipo Van der Waals originando una alta

concentración de éstas en la interfase. Asimismo, existe la posibilidad de quimisorción

como consecuencia de las fuertes uniones en los centros activos de la superficie del

carbón. Esta propiedad permite que el carbón activado sea un útil adsorbente empleado

en diversas aplicaciones industriales (Figura 5). Cuando un carbón activado es

empleado para adsorber compuestos inorgánicos en fase acuosa, la ocupación o el

bloqueo de sus poros por moléculas de agua puede ser beneficioso en algunos casos. Sin

embargo, si se emplea para adsorber compuestos en fase gas, el bloqueo de los poros

puede disminuir sustancialmente la capacidad de adsorción del carbón. Este efecto

combinado de oxidación/adsorción de humedad en carbones activados es conocido

como efecto de envejecimiento y hay que intentar evitarlo en la medida de lo posible.

INTRODUCCIÓN

41

Figura 5. Adsorción de moléculas en los poros de un carbón activado

La superficie específica y las dimensiones de los poros del carbón activado

también influyen en sus propiedades adsorbentes y dependen del precursor y de las

condiciones empleadas en los procesos de carbonización y activación. La porosidad de

un carbón activado preparado por activación física consiste en la gasificación del

material carbonizado a elevadas temperaturas. En el caso del carbón activado preparado

por activación química, el desarrollo de la porosidad se produce por la adición de

ciertos compuestos químicos durante el proceso.

En general, la estructura porosa de un carbón activado está constituida por poros

de un amplio rango de tamaños con anchuras que van desde 0.3 nm hasta varios cientos

de nanómetros [23]. Los poros de un carbón activado se pueden clasificar en

microporos, mesoporos y macroporos (Figura 6). En concreto, se ha determinado que

los microporos son los espacios entre láminas aromáticas con dimensiones moleculares

comprendidas entre 0.4 y 2 nm y con forma de rendija [28,35]. Los microporos son

principalmente los que le confieren al carbón activado su gran área superficial (aprox.

90-95% del área superficial total de un carbón activado) y capacidad de retención,

mientras que los mesoporos y los macroporos permiten retener moléculas de gran

tamaño resultando decisivos para las cinéticas de reacción, ya que favorecen la rápida

difusión y acceso de las moléculas a los microporos.


42

macroporo

mesoporo

microporo

Figura 6. Microporos, mesoporos y macroporos de un carbón activado

1.4. SÍNTESIS ORGÁNICAS ACTIVADAS POR RADIACIÓN ULTRASONIDOS

El desarrollo de la Química Verde ha dado como resultado un cambio

paradigmático en la forma en que los químicos llevan a cabo los procesos. Existe la

necesidad de desarrollar caminos sintéticos que, además de cumplir con el requisito de

obtener los productos con un alto rendimiento, sean sencillos, muestren una alta

eficiencia atómica, un número reducido de pasos, no generen residuos (menor costo),

sean seguros y sobre todo, medioambientalmente aceptables. Por motivos de economía

y contaminación, se debería minimizar lo máximo posible o incluso evitar el uso de

muchos disolventes orgánicos que son ecológicamente nocivos. Los métodos de

reacciones sin disolvente han aumentado su interés en los últimos años encaminados a

modernizar los procedimientos clásicos, hacerlos más limpios, seguros y fáciles de

procesar conduciendo a una tecnología química menos perjudicial con el

medioambiente. Las reacciones sin ningún disolvente, empleando soportes, y la catálisis

por transferencia de fase sólido-líquido, se están empleando en la Química Orgánica con

resultados exitosos tanto en lo referente al aumento de la reactividad como al de la

selectividad. Desde el punto de vista ecológico la realización de reacciones sin

disolvente en comparación con las reacciones realizadas en medios de reacción

orgánicos u otros, presentan las siguientes ventajas:

INTRODUCCIÓN

43

• No hay ningún medio de reacción para recoger, purificar o reciclar.

• Los compuestos formados están lo suficientemente puros como para evitar una

purificación general.

• Son posibles las reacciones secuenciales sin disolvente en sistemas de alto

rendimiento.

• Las reacciones suelen ser muy rápidas, se suelen completar a menudo en varios

minutos comparado con las horas necesarias en el caso de emplear disolventes

orgánicos.

• No hay necesidad de un equipamiento específico o especializado.

• El uso de energía es consecuentemente más bajo.

• Puede evitarse en algunos casos la protección y desprotección de grupos

funcionales.

• Menor capital de inversión para el equipamiento al montar procesos industriales.

• Se consigue una considerable reducción de los medios de reacción (matraces,

reactores) y ahorro de los costes del proceso que hacen que los protocolos sin

disolvente no sólo sean más benignos medioambientalmente sino también, más

viables económicamente. Esta fue una de las consideraciones originales para

desarrollar la Química Verde.

El empleo de técnicas sin disolvente, la utilización de soportes sólidos y de los

ultrasonidos (US) como fuente de energía se inscribe en los programas marco de la

Unión Europea como “técnicas preventivas o protectoras del medioambiente”. El uso

en síntesis química de esta tecnología como alternativa a la calefacción clásica, cumple

los principios de la Química Verde [36-40] y los beneficios se resumen en:

1) Reacciones más seguras.

2) Aumento de los rendimientos de reacción.

3) Tiempos de reacción más cortos; ahorro energético.

4) Menos residuos generados por la ausencia de disolventes y por la sustitución de

ácidos minerales y bases homogéneas por soportes sólidos reciclables.

5) Ahorro de agua como método de refrigeración.

Tradicionalmente los métodos de calentamiento térmico convencional (fuente de

calor externa; placa eléctrica, manta calefactora, etc.) eran lentos y poco eficientes para

transferir energía a un sistema. Fue entonces cuando surgieron métodos alternativos de


44

calentamiento como la activación ultrasónica, muy eficiente para la síntesis de

compuestos químicos que permiten conseguir unas condiciones, estructuras y

propiedades a veces imposibles de alcanzar empleando otros métodos convencionales

de calentamiento. Además, los costes de fabricación de los productos industriales se

reducen gracias a la disminución del consumo energético y del tiempo empleado por

estos procesos.

El origen de la utilización de la radiación ultrasonidos se remonta a 1930 cuando se

utilizaba para la emulsificación y limpieza de superficies. Posteriormente en los años 60

se utilizaba para la limpieza y soldadura de plástico, una de sus principales aplicaciones

en la actualidad. Hoy en día, la radiación de ultrasonidos presenta una gama amplia de

aplicaciones en la ciencia, la medicina y la industria; electroquímica, tecnología

alimentaria, sonoquímica (síntesis química, catálisis y estudios sobre cavitación),

extracción de materiales, nanotecnología, diagnóstico (ensayos no destructivos y

exploración médica), separación de fases, limpieza de superficie, y tratamiento de aguas

residuales, etc.

Los principales campos de utilización de los ultrasonidos se muestran en la Figura

7. Las frecuencias de los ultrasonidos comprenden un intervalo amplio desde 20 kHz

hasta los GHz pudiendo dividirse en dos regiones, una región de energía y una región

de diagnóstico. La primera se sitúa en el extremo de baja frecuencia (20-40 kHz) y

presenta suficiente energía acústica para producir el fenómeno conocido como

cavitación, el origen a los efectos de la sonoquímica. Aquellas frecuencias cercanas a

los 5 MHz y superiores, no producen cavitación, y presentan otras aplicaciones

principalmente en el campo de la medicina [41].

Figura 7. Rangos de frecuencia del sonido y ultrasonido. Luque de Castro et al [41]

INTRODUCCIÓN

45

La sonoquímica estudia como la energía transportada por las ondas de

ultrasonidos es capaz de activar y acelerar una reacción química. Las ondas de

ultrasonidos se propagan en el seno de un líquido siguiendo ciclos alternativos de

compresión y expansión. Cuando la onda de expansión posee suficiente energía, se

pueden generar presiones negativas provocando que las moléculas del líquido se

separen formando microburbujas o cavidades, fenómeno conocido como cavitación. Es

por lo tanto un efecto hidrodinámico, un líquido fluye a través de una región donde la

presión es menor que su presión de vapor, por lo que el líquido ebulle. Posteriormente,

las microburbujas crecen gradualmente durante diversos ciclos hasta que alcanzan su

tamaño crítico, siendo a su vez transportadas por el líquido hasta zonas de mayor

presión. Es en dichos puntos donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita,

provocando que las microburbujas estallen bruscamente (Figura 8) y generando una

gran cantidad de energía; temperaturas de hasta 5000 ºC y presiones a niveles

macroscópicos de hasta 108 MPa. Por lo tanto, la importancia de la cavitación en la

sonoquímica radica más bien en el colapso de las microburbujas que en su formación

[42,43].

Figura 8. Crecimiento y colapso de las microburbujas en ultrasonidos. Luque de Castro

et al [41]

Sin embargo, cuando la cavitación tiene lugar en el seno de un líquido próximo a

una superficie sólida, la dinámica del colapso cambia drásticamente. En este caso, al ser

la superficie sólida bastante asimétrica la elevada velocidad del líquido puede llegar a

causar erosiones o deformaciones en la superficie del sólido. Además, en ausencia de


46

superficies sólidas la burbuja suele conservar su forma esférica durante el colapso ya

que sus alrededores son uniformes.

Por lo tanto, podemos afirmar que la irradiación con ultrasonidos durante la

activación de una reacción química induce una reactividad química característica y de

forma particular en presencia de un sólido. Además en estos casos, los mecanismos de

transferencia electrónica se encuentran favorecidos, lo que resulta especialmente útil

para aplicaciones catalíticas [44]. Por consiguiente, los efectos de la radiación de

ultrasonidos son; aceleración de la reacción química, reducción del período de

inducción y mejora de la eficacia del catalizador.

Hay una serie de parámetros que influyen en el fenómeno de la cavitación que

deben ser ajustados en función de la finalidad perseguida; temperatura, presión,

frecuencia de la onda, naturaleza de las burbujas (tamaño y su vida media) entre otras.

En el caso de la utilización de los ultrasonidos como método de activación de

reacciones químicas, los parámetros que afectan al rendimiento de la reacción se

especifican de forma más detallada a continuación [39,40]:

- Frecuencia. Un aumento de la frecuencia de irradiación provoca una

disminución de fase en la expansión de la onda ultrasónica y como

consecuencia:

a) Para mantener la misma cavitación del sistema, se tendrá que aumentar la

potencia de irradiación.

b) La cavitación disminuye cuando este aumento de frecuencia se aproxima a la

región de megahertzios.

- Viscosidad del disolvente. La formación de cavidades en el líquido requiere una

presión negativa en la región de expansión de la onda ultrasónica que sobrepase

a las fuerzas cohesivas del líquido. Por ello, la cavitación tiene lugar más

fácilmente en líquidos poco viscosos.

- Presión de vapor. Inducir cavitación es más fácil en un líquido con baja presión

de vapor.

- Temperatura. Un aumento de temperatura supone un aumento de la presión de

vapor del medio de reacción. Además, según aumenta la presión de vapor, por

efecto del calentamiento, empiezan a aparecer microburbujas en el medio de

propagación de las ondas, creando una barrera y disminuyendo

consecuentemente la cavitación. Finalmente, cuando el líquido se calienta, la

presión de vapor aumenta disminuyendo las fuerzas intermoleculares,

INTRODUCCIÓN

47

favoreciéndose la formación de cavidades y debilitando su colapso, por lo que el

fenómeno sonoquímico será menor.

- Presión externa. Un aumento de presión supondría aplicar más energía

ultrasonidos para provocar cavitación. Sin embargo, un aumento de presión

significa un aumento en la intensidad del colapso cavitacional, potenciándose los

efectos ultrasónicos.

- Intensidad. Generalmente, un aumento de la intensidad del colapso cavitacional

potencia el efecto sonoquímico.

En la actualidad, el uso de la radiación ultrasonidos se considera que contribuye

beneficiosamente a la Química Verde ya que implica condiciones de reacción más

suaves, permite aumentar la selectividad hacia el producto deseado, minimiza el

consumo de energía para las transformaciones químicas y es compatible con el empleo

de materias primas renovables. También resaltar que en las últimas décadas la

combinación de ultrasonidos con otras técnicas como la fotocatálisis, la catálisis por

transferencia de fase, las microondas, o las reacciones químicas en medio acuoso han

conseguido muy buenos resultados [45].

Además, se han desarrollado ya un número elevado de reactores sonoquímicos a

gran escala a pesar de las dificultades encontradas. Re-escalar sistemas experimentales a

escala industrial en el campo de la sonoquímica requiere del entendimiento de diversos

parámetros de diseño. Los modelos disponibles van desde los relacionados con la

dinámica fundamental de la cavitación de burbujas y sus efectos químicos a través de la

formación de radicales, hasta formas más empíricas que intentan reproducir campos de

presión acústica a escala mayor. En estos, la adecuada medición y modelización de la

presión y los campos de la cavitación de burbujas constituyen el problema central [42].

Por ejemplo, la empresa Prosonix desarrolló un reactor compuesto por transductores

piezoeléctricos unidos a la superficie externa de un tubo de metal a través del cual fluye

el sistema líquido del proceso. También, Advance Sonic Processing Systems diseñó otro

sistema compuesto por dos platos verticales paralelos a través de los cuales el sistema

líquido del proceso es empujado y transductores magneto-restrictivos para que cada

plato posea frecuencias diferentes y así provocar mayor actividad cavitacional. Este

sistema es ampliamente utilizado en la eliminación de contaminantes químicos acuosos.

Además de estas empresas nombradas aquí, hoy en día existen muchas otras empresas

que se dedican a la fabricación industrial de reactores sonoquímicos [42].


48

1.5. SÍNTESIS DE DERIVADOS DE PRODUCTOS DE QUÍMICA FINA

Los productos de Química Fina son intermedios empleados básicamente en la

síntesis de productos farmacéuticos, agroquímicos, herbicidas, cosméticos, etc., La

química heterocíclica tiene una importancia particular en las industrias de Química Fina,

ya que son numerosos los productos de alto valor añadido que contienen en su

estructura heterociclos, y en particular heterociclos nitrogenados [46]. La tecnología de

ultrasonidos se presenta en las industrias de Química Fina como una interesante

alternativa a las técnicas convencionales utilizadas para conducir las distintas rutas de

síntesis de estos compuestos heterocíclicos y/o sus intermedios obteniendo muy buenos

rendimientos y haciendo más sencilla la tarea de purificación de los productos [47].

1.5.1. Síntesis de derivados azólicos N-alquilados con actividad antifúngica,

antiviral y bactericida

Los derivados de anillos imidazólicos N-sustituidos son de gran interés

farmacéutico debido a sus propiedades fungicidas, antivirales y bactericidas, entre otras

(tratamiento virus herpes simple, Citomegalovirus y Varicela-Zoster) [48-52].

Los compuestos antimicrobianos constituyen la base principal para el

tratamiento de enfermedades infecciosas, las más frecuentes y causantes del mayor

índice de mortalidad en cualquier especialidad médica. Los antimicrobianos son

sustancias químicas que pueden ser naturales, sintéticas o semisintéticas, que destruyen

o evitan el crecimiento de microbios invasores del cuerpo humano o animal (bacterias,

hongos y virus) produciendo ninguna o muy baja toxicidad sobre éstos.

Los antimicrobianos actúan sobre los gérmenes a través de cuatro mecanismos:

1) inhibiendo la síntesis de la pared celular, 2) inhibiendo las funciones de la membrana

celular, 3) inhibiendo irreversible y reversiblemente la síntesis de proteínas celulares y/o

bien 4) inhibiendo la síntesis de los ácidos nucleicos. Los antimicrobianos azólicos N-

sustituidos, pertenecen al cuarto grupo y actúan inhibiendo la función de los ácidos

nucleicos por interacción con el ADN molde, dificultando la transcripción o replicación

al interaccionar con las polimerasas implicadas o al incorporarse en un ácido nucleico

llegando a provocar alteraciones en su estructura y función cuando se trata de

antibióticos nucleósidos análogos a los componentes de los ácidos nucleicos.

INTRODUCCIÓN

49

Entre estos antimicrobianos se encuentran:

1. Azoles antimicóticos, derivados de imidazol, inhiben la biosíntesis de lípidos en

la pared celular.

2. Azoles antivirales, derivados de imidazol, inhiben la replicación viral.

1.5.1.1. Azoles antimicóticos, derivados de imidazol

La micosis es una infección provocada por los hongos que puede ser superficial,

afecta a la piel y mucosas, o profunda/sistémica, afecta a diferentes órganos y tejidos.

Actualmente, los azoles son la familia de antimicóticos más utilizada y estudiada, con

quince moléculas comercializadas en el mundo. Los azoles actúan impidiendo la síntesis

del ergosterol, uno de los principales componentes de las membranas de los hongos, que

actúa ejerciendo un efecto funguicida alterando la permeabilidad de la membrana

celular del hongo. Dentro de los azoles existen dos subgrupos importantes según

presenten dos o tres nitrógenos en el anillo, imidazoles (clotrimazol, ketoconazol,

miconazol, etc.) y triazoles (itraconazol y fluconazol) respectivamente [53]. En la

bibliografía, se ha descrito que los N-alquilimidazoles de estructura simple presentan

efectos inhibidores en la oxidación microsómica [54], citotoxicidad [55] y actividad

antifúngica [56]. Y que además, la longitud de la cadena alquilante en el anillo

imidazólico de estas estructuras influye en su actividad biológica final. Así por ejemplo,

los N-alquilimidazoles precisan cadenas de una longitud determinada, generalmente 12

átomos de carbono, para poder mostrar actividad antifúngica y citotóxica [57,58] y 10

átomos de carbono para inhibir en la oxidación microsómica [54].

Los imidazoles N-sustituidos fueron introducidos en la terapia antifúngica a

finales de los años 60 y desde entonces han sido ampliamente estudiados, siendo la

mayor posibilidad terapéutica que se presenta en la actualidad tanto para el tratamiento

sistémico (infecciones más graves) como para el tópico (infecciones leves). Además, en

las últimas décadas ha crecido el interés por el estudio de este grupo de fármacos debido

al aumento de infecciones de origen fúngico, como consecuencia del empleo masivo de

nuevas drogas (antibióticos, corticosteroides e inmunosupresores) así como por la

utilización de técnicas quirúrgicas agresivas (cateterismos, trasplantes, prótesis, etc.) y

la aparición de nuevas enfermedades inmunosupresoras como el virus de la


50

inmunodeficiencia humana (HIV).

En la actualidad son diez los imidazoles comercializados en España para el

tratamiento tópico de infecciones fúngicas, estos son clotrimazol, miconazol, econazol,

tioconazol, ketoconazol, bifonazol, oxiconazol, sertaconazol, fenticonazol y flutrimazol

(Figura 9) [57-59].

Figura 9. Ejemplos de estructuras químicas de imidazoles comercializados en

España: miconazol (A), ketoconazol (B) y bifonazol (C)

1.5.1.2. Azoles antivirales, derivados de imidazol

Los fármacos antivirales ejercen su acción sobre distintos puntos y procesos del

ciclo replicativo del virus existiendo como mínimo 14 grupos distintos de antivirales.

Los azoles antivirales pertenecen al grupo de los nucleósidos y entre ellos se

encuentran; Aciclovir, Ganciclovir y Penciclovir (forma oral = Famciclovir) todos con

un mecanismo de acción similar (Figura 10). Se trata de análogos sintéticos de las

purinas que actúan incorporándose en el ADN viral inhibiendo así su replicación. El

Aciclovir fue el primer fármaco específico antivírico desarrollado en 1977 y ha sido uno

A

B

N

N

ClCl

O

R Cl

Cl

R=

OO

R´Cl

Cl

R

N N OAcOR´=

R= Imidazol

N

R´

N

R

R´=H

R=

C

INTRODUCCIÓN

51

de los antivirales más utilizado en las dos últimas décadas. Se utiliza para el tratamiento

y prevención de infecciones producidas por el herpes virus, especialmente herpes simple

I y II (HVS-1 y HVS-2) y el virus varicela zoster (VVZ), siendo más efectivo cuando se

utiliza en las primeras fases de la enfermedad. Los virus del Epstein-Barr y el

Citomegalovirus también pueden ser inhibidos utilizando concentraciones más altas del

medicamento. El Aciclovir (9-(2-hidroxietoximetil)guanina) tras ser fosforilado por una

enzima (Timidina Quinasa) inducida por el virus, inhibe la replicación del virus

mediante la inhibición de la síntesis de la polimerasa de ADN viral, enzima encargada

de la replicación del ADN. El Ganciclovir se utiliza para el tratamiento de infecciones

por Citomegalovirus (CMV), siendo 100 veces más activo contra el CMV que el

Aciclovir. El Famciclovir es la prodroga del Penciclovir, que además de actuar contra

los virus de herpes simple (HVS-1 y HVS-2), actúa contra VVZ y el virus de la hepatitis

B. El Penciclovir tiene actividad contra los virus HVS-1 y HVS-2, siendo en este caso

más efectivo que el Aciclovir debido a que su vida media intracelular es más larga en las

células infectadas.

Figura 10. Estructura de los antivirales imidazólicos: Aciclovir, Ganciclovir,

Penciclovir y Famciclovir

NH

N N

N

O

NH2

OHOH

Penciclovir

Aciclovir (Zovirax)

Ganciclovir

Famciclovir

(Fanvir)

N

NNH2

N

N

OAc OAc

NH

N N

N

O

NH2

O

OH

NH

N N

N

O

NH2

O

OHOH


52

53

2. OBJETIVOS


54

OBJETIVOS

55

2. OBJETIVOS

El desarrollo de metodologías más limpias ha fomentado la investigación y

desarrollo de nuevos catalizadores básicos para sustituir a los clásicos catalizadores

homogéneos empleados en la industria química. Entre estos procesos, se encuentran

reacciones de gran interés en la industria farmacéutica como la alquilación de

heterociclos nitrogenados.

Por otro lado, la utilización de la radiación asistida por ultrasonidos ha puesto de

manifiesto su capacidad para reducir los tiempos de reacción, trabajando en condiciones

de reacción suaves con respecto a los métodos de calentamiento convencional,

permitiendo controlar la selectividad en la distribución de los productos de reacción

mediante el control de diferentes parámetros de reacción (temperatura, potencia, tiempo

de irradiación y cantidad de catalizador empleada, entre otros).

En este contexto, el objetivo principal del presente trabajo es el diseño, síntesis y

caracterización de nuevos catalizadores útiles en la síntesis de heterociclos con

actividad biológica y de aplicación en la industria farmacéutica. En este sentido, nuestro

interés se centra en el empleo de carbones activados, de tipo Norit, dopados con metales

alcalinos (Na, K, y Cs, y sus respectivas combinaciones) que presentan diferentes

composiciones y propiedades ácido-base. Además, se pretende desarrollar un estudio

mecanístico completo de la reacción de N-alquilación del imidazol mediante el uso de

estos carbones como catalizadores.

Los objetivos específicos de este trabajo son:

2.1. SINTETIZAR LOS SÓLIDOS OBJETO DE ESTUDIO

2.1.1. Carbones alcalinos

Se prepararán diferentes series de carbones alcalinos, basados en la estructura de

tipo RX-1-EXTRA Norit, con diferentes características texturales y propiedades ácido-

base: M-Norit y MM´-Norit.


56

2.1.1.1. Carbones alcalinos dopados con un metal alcalino

Los carbones dopados con un solo metal Na, K y Cs fueron respectivamente

sintetizados mediante intercambio iónico usando la correspondiente disolución del

cloruro alcalino. Se preparó una serie de carbones con estructura de RX-1 EXTRA

Norit: Na-Norit, K-Norit, Cs-Norit. Serie denominada M-Norit.

2.1.1.2. Carbones alcalinos dopados con dos metales alcalinos

A partir de un carbón de partida RX-1 EXTRA Norit, se preparó, por

intercambio iónico, una serie de carbones alcalinos con dos metales, usando la

correspondiente disolución de los cloruros alcalinos. Así se obtuvieron las muestras de

carbones con estructura RX-1 EXTRA Norit: NaK-Norit, NaCs-Norit, KCs-Norit. Serie

denominada MM-Norit.

Los catalizadores así obtenidos se han nombrado siguiendo la nomenclatura:

Na-Norit, K-Norit, Cs-Norit

NaK-Norit, NaCs-Norit, KCs-Norit

2.2. CARACTERIZAR LOS SÓLIDOS OBJETO DE ESTUDIO

Los carbones sintetizados se caracterizaron empleando diferentes técnicas

analíticas y espectroscópicas. Así, se determinaron sus características texturales – área

superficial, volumen y diámetro de poro, y distribución de tamaño de poro – mediante

adsorción física de nitrógeno, y de dióxido de carbono, y su estabilidad térmica

mediante Termogravimetría (TG-ATD). El pH de los sólidos se midió mediante un

medidor de pH y se analizó la composición química de los mismos mediante análisis

elemental. La espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) permitió determinar la

naturaleza y distribución metálica en la superficie de los carbones.

2.3. EVALUAR LA ACTIVIDAD CATALÍTICA DE LOS DIFERENTES

SÓLIDOS SINTETIZADOS

La actividad catalítica de los carbones sintetizados se estudiara en la alquilación

de imidazol con 1-bromobutano y en la propargilación de imidazol, ambas en ausencia

de disolvente, tanto bajo calentamiento térmico convencional como bajo activación por

ultrasonidos. Además, se llevarán a cabo experimentos para la optimización de la

OBJETIVOS

57

cantidad de catalizador empleada en cada proceso, así como estudios de reutilización

del mismo. Finalmente, se determinará cual es la serie de catalizadores y/o el

catalizador que presenta mayor actividad catalítica en las reacciones de catálisis básica

investigadas. Se realizará un estudio del mecanismo y cinética del proceso bajo las

condiciones de reacción seleccionadas en esta investigación.

2.4. SINTETIZAR HETEROCICLOS NITROGENADOS CON ACTIVIDAD

BIOLÓGICA

Una vez evaluada la actividad catalítica de los sólidos sintetizados, se emplearán

en:

• La obtención de heterociclos nitrogenados intermedios para la síntesis de

compuestos antivirales.

• La preparación imidazoles propargilados, ampliamente utilizados en numerosas

estructuras de fármacos.

Para realizar un estudio de intensificación de estos procesos, las reacciones de

alquilación de imidazol, tanto con bromuro de propargilo, como con 1-bromobutano, se

llevarán a cabo bajo activación térmica convencional y mediante activación por

ultrasonidos. De esta manera, se realizará un estudio comparativo entre ambos métodos

de activación (térmica vs ultrasónica).

Estos objetivos se han conseguido y plasmado en los trabajos:

• “Ultrasound-promoted N-propargylation of imidazole by alkaline-dopedcarbons”. Carbon, 2004, 42,1362–1366

• “Alkylation of imidazole under ultrasound irradiation over alkaline carbons”.Applied Surface Science, 2006, 252, 6089-6092

• “The effect of ultrasound on the N-alkylation of imidazole over alkalinecarbons: Kinetic aspects”. Applied Catalysis A: General, 2010, 378, 26–32


58

59

3. PARTE EXPERIMENTAL

PARTE EXPERIMENTAL

61

3. PARTE EXPERIMENTAL

3.1. EQUIPOS

La caracterización de los catalizadores se llevó a cabo usando las siguientes

técnicas experimentales y equipos, respectivamente:

- Adsorción de nitrógeno (77 K) y dióxido de carbono (273 K) usando el equipo Micromeritics ASAP 2010

- Análisis Elemental usando un equipo Vario EL III

- Análisis Termogravimétrico utilizando el equipo modelo SEIKO

SYSTEM 320

- PH-Metro Omega, modelo PHB-62

- Equipo de Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X (XPS), modelo

VG ESCALAB 200R

- Cromatógrafo de gases, Agilent technologies (modelo 6890N) con

columna capilar de 60 m (fenil-silicona) y detector de llama.

- Espectrómetro de masas Hewlett-Packard (modelo HP5971A)

- Equipo de ultrasonidos Selecta (modelo Ultrasound-H), 40 kHz, 550W

3.2. REACTIVOS Y DISOLVENTES

Síntesis de los catalizadores:

- Cloruro sódico, Aldrich, pureza > 99 %

- Cloruro potásico, Aldrich, pureza > 99 %

- Cloruro de cesio, Aldrich, pureza > 99 %

- Carbón RX-1 EXTRA Norit

- Agua destilada

- Nitrato de plata, Aldrich, pureza > 99 %

Reacciones catalíticas:

Alquilación de imidazol:

- Imidazol, Aldrich, pureza 98 %

- 1-bromobutano, Fluka, pureza 98 %

Propargilación de imidazol:

- Imidazol, Aldrich, pureza 98 %

- Bromuro de propargilo, Fluka, pureza 98 %


62

Disolventes:

- Acetona, PANREAC, pureza 99.8 %

Gases:

- Nitrógeno, PREMIER X50S, CARBUROS METALICOS

- Helio, PREMIER X50S, CARBUROS METALICOS

- Aire sintético, PREMIER X50S, CARBUROS METALICOS

- Hidrógeno, CARBUROS METALICOS

- Dióxido de carbono, PREMIER X50S, CARBUROS METÁLICOS

3.3. PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES

3.3.1. Preparación de los catalizadores

Para el estudio se seleccionó un carbón activado comercial con propiedades

físico-químicas determinadas. El carbón activado RX-1-EXTRA Norit es fabricado por

la compañía Norit Activated Carbon, y fue preparado a partir de una mezcla de coque,

turba y cáscara de coco, seguido de una activación física y un lavado con ácido

fosfórico. La preparación del carbón activado RX-1-EXTRA Norit a partir de

precursores orgánicos, le confirieren una serie de propiedades como mayor dureza,

densidad, resistencia y un menor porcentaje de cenizas (materia mineral) que en el caso

del carbón activado preparado a partir de madera. Este carbón activado posee además

cierta basicidad de partida [48,60,61] siendo uno de los objetivos en este trabajo de

tesis, acentuar la basicidad de este carbón activado por intercambio iónico con cloruros

de metales alcalinos, resultando así catalizadores básicos soportados sobre carbón

activado. Los distintos catalizadores básicos se obtuvieron mediante intercambio iónico

del carbón con una disolución del correspondiente cloruro alcalino (Na, K y Cs) (353 K,

60 h). En todos los casos, la relación carbón-agua fue de 1:10, en peso. Todas las

muestras se lavaron hasta ausencia de cloruros (test nitrato de plata) y se secaron en

estufa 16 h a 383 K. Las muestras se filtraron, molturaron y tamizaron a distintos

tamaños de partícula, empleándose en la reacción las muestras de tamaño de partícula

inferior a 0.140 mm. Los catalizadores preparados fueron:

• Catalizadores Metal-alcalino-Norit (M-Norit) empleando una concentración 2

M de la disolución del metal alcalino correspondiente ⇒ Na-Norit, Cs-

Norit y K- Norit

PARTE EXPERIMENTAL

63

• Catalizador Bimetal-alcalino-Norit (MM´-Norit) empleando una

concentración 1 M de cada una de las disoluciones de los metales alcalinos

correspondientes⇒ NaCs- Norit, NaK- Norit, KCs- Norit

3.3.2. Alquilación de imidazol con 1-bromobutano

La reacción entre imidazol (5 mmol) y 1-bromobutano (15 mmol) se llevó a

cabo a 293, 313 y 333 K en un reactor batch y en un baño de ultrasonidos. Antes de

iniciar la reacción, los catalizadores se secaron en un horno convencional durante 24 h a

333 K con objeto de eliminar por completo el agua absorbida del ambiente. La

metodología seguida durante la realización de los experimentos en reactor discontinuo

(batch) fue la siguiente. En un matraz provisto de dos bocas, una de ellas conectada a un

refrigerante y la otra libre para la toma de muestras, se colocó la mezcla de reactivos en

ausencia de disolvente. Posteriormente la mezcla se mantuvo bajo agitación continua,

en un baño de silicona sobre placa calefactora, hasta alcanzar la temperatura de reacción

deseada, momento en el que se añadió el catalizador, empezando a contabilizar el

tiempo de reacción. La toma de muestra se realizó de forma periódica, a tiempos

predeterminados, filtrando la muestra mediante una jeringa de émbolo provista de filtro

(Millipore, 0.45 µm HV) y acetona, separando de esta forma el catalizador sólido de los

productos de reacción y reactivos no consumidos. Posteriormente, la muestra extraída se

analizó en un cromatógrafo de gases Agilent 6890N con detector de llama (FID) y

columna capilar de fenil-silicona de 60 metros de longitud. Los productos de reacción

también eran analizados por espectrometría de masas en un espectrómetro Hewlett-

Packard HP5971A.

Las reacciones llevadas a cabo bajo activación ultrasónica se realizaron en un

baño de ultrasonidos marca Selecta Ultrasound-H, con sistema de calefacción, a una

frecuencia de 40 kHz y una potencia de 550 W. El procedimiento para la toma de

muestras de reacción y su posterior análisis fue igual que el descrito anteriormente, para

las reacciones llevadas a cabo por calentamiento térmico convencional (batch).

Previamente a la realización de los experimentos, se llevó a cabo un estudio de

la reacción en ausencia de catalizador (reacción blanco), para constatar que, en ausencia

del mismo, no tiene lugar la reacción.

Para descartar efectos difusionales en la reacción bajo activación térmica

convencional (batch), se llevaron a cabo experimentos a distintas velocidades de


64

agitación (300, 500 y 1000 rpm), para descartar efectos de difusión externa, y

empleando distintos tamaños de partícula del catalizador (0.025, 0.140 y 0.250 mm),

para descartar efectos de difusión interna. En el caso de las reacciones llevadas a cabo

en el baño de ultrasonidos, los efectos difusionales se descartaron utilizando igualmente

diferentes tamaños de partícula del catalizador (efectos de difusión interna) y para el

caso de los efectos difusionales externos, colocando el reactor en diferentes zonas del

baño de ultrasonidos, constatándose que la reacción bajo activación ultrasónica tampoco

estaba controlada por fenómenos de difusión.

3.3.3. Propargilación de imidazol

La evaluación de la actividad catalítica de los sólidos en la propargilación de

imidazol se llevó a cabo en un sistema de reacción discontinuo tipo batch, como el

descrito en el anterior apartado, compuesto por placa calefactora con agitación

magnética, baño de silicona, matraz de dos bocas y refrigerante de reflujo. La mezcla de

reacción constituida por imidazol (5 mmol) y bromuro de propargilo (15 mmol) se

calentó, hasta la temperatura de reacción (298 y 323 K). Alcanzada la temperatura, se

añadió el correspondiente catalizador (0.025 g) y la reacción se mantuvo hasta un

tiempo máximo de 120 min. Antes de iniciar la reacción, los catalizadores se secaron en

un horno convencional durante 24 h a 333 K con objeto de eliminar por completo el

agua absorbida del ambiente.

La metodología de trabajo seguida para la realización de las reacciones activadas

por ultrasonidos fue el mismo que el aplicado en el apartado 3.3.2 para la reacción de

alquilación de imidazol con 1-bromobutano.

Previamente a la realización de los experimentos, se llevó a cabo un estudio de

la reacción en ausencia de catalizador, para constatar que, en ausencia del mismo, no

tiene lugar la reacción.

Para descartar efectos difusionales en la reacción, se procedió de la misma forma

que en el apartado 3.3.2.

3.3.3. Reciclabilidad de los catalizadores

La recuperación y reutilización de los catalizadores, tanto en la reacción de

alquilación con 1-bromobutano, como en la propargilación de imidazol con bromuro de

propargilo, se realizó empleando la muestra Cs-Norit. Finalizada la reacción, el

catalizador se filtró y se lavó con acetona repetidas veces. Posteriormente se secó en

PARTE EXPERIMENTAL

65

estufa a 373 K durante 24 h y se reutilizó en ciclos sucesivos de la reacción, hasta un

máximo de 4 ciclos.

3.4. TÉCNICAS EMPLEADAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LOS

CATALIZADORES

En este trabajo, los carbones activados utilizados se caracterizaron

químicamente empleando las siguientes técnicas: adsorción de nitrógeno y dióxido de

carbono para su caracterización textural, análisis elemental para determinar su

composición química, análisis termogravimétrico (estabilidad y estudio de grupos

funcionales) y análisis superficial por espectroscopia electrónica de rayos-X. A

continuación se describen más detalladamente las distintas técnicas empleadas:

3.4.1. Adsorción de nitrógeno y dióxido de carbono

Según la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) la textura de

un sólido se define como “la geometría detallada del espacio hueco en el interior de las

partículas” [62] comprendiendo, su caracterización textural el estudio de los siguientes

parámetros:

• Superficie específica, se refieere el área superficial por unidad de masa de

sólido.

• Volumen específico de los poros, hace referencia al volumen total de los poros

por unidad de masa del sólido.

• Tamaño o anchura de poro, en función de la geometría.

• Distribución de tamaños de poro, proporciona información sobre el volumen de

poros presentes en la muestra, en un rango determinado de tamaños.

Respecto a estas propiedades texturales, los carbones activados se caracterizan por

presentar una gran superficie interna, y en la mayor parte de los casos, una gran

irregularidad del sistema de poros. Esta es la razón de que muchas zonas de su

estructura porosa sólo sean accesibles a través de constricciones estrechas. En función

de la accesibilidad de un fluido externo o un gas, los poros se clasifican en poros

cerrados, que son aquellos que se encuentran totalmente aislados del exterior y por ello

suelen ser inactivos en procesos de flujo de fluidos y adsorción de gases, o abiertos, que

se utilizan como canales de comunicación con la superficie externa del sólido. Las

geometrías más frecuentes en los sistemas porosos son las formas de rendija o

hendidura, en cuello de botella, cilíndricos, globulares, etc. La clasificación adoptada


66

por la IUPAC hace referencia a sus dimensiones y fue establecida por Dubinin [63,64].

La anchura de poro se define como la distancia entre las paredes de un poro en forma de

rendija, o bien en el caso de un poro cilíndrico, su diamétro. Los poros se pueden

clasificar en tres grupos:

• Microporos: con una anchura menor de 2 nm.

• Mesoporos: con anchura en el intervalo 2 y 50 nm.

• Macroporos: con anchura mayor de 50 nm.

Sin embargo esta clasificación presenta ciertas limitaciones al estar las técnicas

de determinación del tamaño de poro influenciadas por la forma del poro, las

propiedades de la sustancia utilizada en la medida, y por las interacciones de dicha

sustancia con el material carbonoso. Para un análisis más detallado de la porosidad en

los carbones activados, algunos autores [65, 66] han propuesto distinguir entre

microporos estrechos o ultramicroporos (tamaño < 0,7 nm) y microporos anchos o

supermicroporos (tamaño entre 0,7-2 nm).

La adsorción física de gases es una de las técnicas más apropiadas para la

medida del área superficial y la caracterización de la estructura porosa de los carbones.

A partir de las isotermas de adsorción se puede calcular la superficie específica y la

porosidad de la correspondiente matriz carbonosa. Así, las isotermas de adsorción de

gases son siempre diferentes, y dependen significativamente de la naturaleza del gas

adsorbente y del sólido que actúa como adsorbato.

Sing propuso que la clasificación más adecuada para las isotermas de adsorción

aceptada por la IUPAC [62] está compuesta por 6 tipos de isotermas. Los primeros

cinco tipos de esta clasificación fueron propuestos por Brunauer, Deming, Deming y

Teller (BDDT) y posteriormente fueron incluidas las isoterma tipo VI.

La isoterma tipo I, está representada por la ecuación matemática de Langmuir,

es característica de procesos de quimisorción donde se produce el llenado de

microporos, o adsorción física en aquellas superficies muy homogéneas. Su forma es

cóncava con respecto al eje de abscisas, y a presiones relativas bajas, su pendiente

aumenta rápidamente hasta adquirir un valor constante.

La isoterma tipo II hace referencia a la adsorción en mono-multicapas, en

aquellos sólidos macroporosos o no porosos con superficie heterogénea. Se trata de

isotermas cóncavas respecto al eje de abscisas a presiones relativas bajas, mientras que

PARTE EXPERIMENTAL

67

son convexas para presiones relativas elevadas. Como peculiaridad, las isoterma de

desorción y adsorción coinciden exactamente.

La isoterma tipo III hace referencia a procesos de adsorción en sólidos no

porosos que muestran una interacción adsorbato/adsorbente débil. En este caso no existe

prácticamente interacción superficial sólido-gas por lo que el estudio resulta difícil.

La isoterma tipo IV presentan ciclos de histéresis. Su forma es similar a la

isoterma tipo II en la zona de presiones bajas e intermedias, sin embargo a presiones

medias la condensación capilar en los mesoporos comienza a ser evidente.

La isoterma tipo V muestra una adsorción débil al comienzo, y después una

condensación capilar. Se trata de isotermas poco comunes, y difíciles de interpretar ya

que la afinidad adsorbente-adsorbato es baja. Finalmente, las isotermas de tipo VI

hacen referencia a procesos de adsorción multicapa de gases nobles en superficies muy

homogéneas, en las que cada capa comienza a formarse cuando la anterior está ya casi

completa.

En el caso de los carbones la adsorción tiene lugar en las paredes de los poros

estrechos, dentro de la partícula. En el caso de los poros de gran tamaño (macroporos),

el adsorbato los atraviesa y penetra hasta los poros de menor tamaño (microporos),

situados en el interior de la estructura [67]. Puesto que son pocos el número de

microporos conectados directamente con la superficie externa del carbón, el acceso a su

interior tiene lugar a través de los mesoporos, y es por ello que gran parte de la

adsorción tenga lugar precisamente en ellos.

En este trabajo, el carbón utilizado se ha caracterizado mediante adsorción física

de nitrógeno y dióxido de carbono lo que permitió obtener la superficie específica y

volumen total de poros, así como la distribución de tamaños de poro. El estudio de la

estructura microporosa de un carbón activado puede realizarse a partir de las isotermas

de adsorción de ambos gases, nitrógeno a 77 K y dióxido de carbono a 273 K. Aunque

ambas moléculas gaseosas poseen dimensiones moleculares relativamente próximas

(0,36 y 0,33nm de diámetro cinético, respectivamente) la diferencia de temperaturas

durante la adsorción (77 K para N2 y 273 K para CO2, respectivamente) conlleva una

cinética de adsorción más rápida para el dióxido de carbono, en aquellos poros con

dimensiones cercanas a las de ambas moléculas [68]. La baja difusión del nitrógeno se

traduce en la imposibilidad de llenar los microporos de menor tamaño (d < 0,7nm) [69].

Por ello, se encuentra en la bibliografía descrito [70] que la adsorción de dióxido de


68

carbono a 273 K permite establecer el volumen de microporos estrechos, mientras que

la adsorción de nitrógeno 77 K da información del volumen total de microporos. Por lo

tanto, la elección del gas empleado en la adsorción se hará en función de la información

que se quiera obtener. Es decir, el nitrógeno se utilizará para caracterizar mesoporos y

microporos de mayor tamaño, mientras que el dióxido de carbono dará información de

los microporos más estrechos.

En este trabajo la superficie específica de los materiales se determinó mediante

el método BET aplicado a las isotermas de adsorción de nitrógeno a 77 K. La

evaluación de la microporosidad se realizó teniendo en cuenta los datos de adsorción de

nitrógeno, con objeto de conocer en profundidad las características texturales de los

carbones empleados y de contrastar el mayor número de resultados experimentales

posibles. El estudio de la microporosidad, área microporosa y volumen de microporos,

de los catalizadores preparados se llevó a cabo empleando, también la técnica de

adsorción de CO2 a 273 K utilizando un equipo Micromeritics ASAP 2010, en el

Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la UNED en Madrid.

3.4.2. Caracterización química y estructural de los catalizadores

En los carbones activados, tan importante es conocer su textura como su

estructura a la hora de definir sus propiedades catalíticas y adsorbentes. Del mismo

modo, también lo son sus propiedades ácido-base, redox, electroquímicas, hidrofílicas e

hidrofóbicas, etc. Por ello, un estudio completo de la estructura porosa y el

conocimiento riguroso de la química superficial es fundamental para optimizar y

aprovechar las potenciales aplicaciones que ofrecen los materiales carbonosos.

Destacar que en la superficie de los carbones activados se diferencian dos zonas

con distintas propiedades físico-químicas. Por un lado se encuentran los planos basales

que configuran una superficie apolar, formada por el conjunto aromático de las capas

grafénicas, y por otra, los bordes de dichos planos basales, en los que se concentran

defectos e imperfecciones (átomos de carbono terminales, radicales de carbono, grupos

oxigenados, enlaces no saturados, etc.) que se convierten en zonas de gran reactividad

[73]. Los átomos de carbono de los planos basales, poseen orbitales π que contienen

electrones deslocalizados. La presencia o ausencia de grupos superficiales y el mayor o

menor grado de deslocalización de los electrones π afecta a las interacciones del carbón

con cualquier otra sustancia.

PARTE EXPERIMENTAL

69

En este trabajo, los carbones activados utilizados se caracterizaron

químicamente siguiendo la siguiente pauta: composición química por análisis elemental,

identificación de los grupos funcionales mediante análisis termogravimétrico y XPS, y

por último medidas de pH.

3.4.2.1 Análisis elemental

El análisis elemental permite cuantificar los heteroátomos presentes en el carbón

activado, lo que nos proporciona una primera idea sobre los posibles grupos funcionales

presentes en el carbón. Para la determinación del contenido de carbono, hidrógeno,

nitrógeno y azufre, las muestras son quemadas a altas temperaturas, aproximadamente

unos 1200 ºC en flujo de oxígeno. Los productos obtenidos en esta combustión se

determinan a través de un análisis simple. Los compuestos de carbono se convierten en

CO2 por combustión completa en presencia de oxígeno en exceso, el hidrógeno se

transforma en vapor de agua, el azufre en dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno se

reducen a nitrógeno. Previamente a la realización del análisis elemental de los carbones

activados, se desgasifica la muestra a vacío a una temperatura de 120 ºC durante 2

horas, con objeto de eliminar las posibles especies químicas fisisorbidas en la

superficie (ej. humedad) durante la exposición de las mismas a las condiciones

ambientales. Los contenidos de carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno se

determinaron empleando un analizador elemental LECO CHMS-932. Todos los

resultados se expresan en relación a base seca de carbón activado. Estos análisis fueron

realizados en el Servicio Interdepartamental de Investigación de la Universidad

Autónoma de Madrid (Sidi).

https://www.uam.es/ss/Satellite/es/1242663062412/contenidoFinal/Acerca_del_SIdI.htm

3.4.2.2. Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS)

Esta técnica se basa en la emisión de electrones de las capas más internas de un

átomo cuando éste es irradiado con un haz de longitud de onda suficientemente

pequeña. La capacidad de análisis de la técnica se fundamenta en que la energía cinética

de los electrones emitidos se encuentra relacionada con la energía de enlace de dicho

electrón al átomo del que proviene. De esta forma se analizan muestras sólidas, tanto

cualitativa como cuantitativamente, y se puede discriminar en la mayoría de los casos

entre los diferentes estados de oxidación de un elemento químico e incluso detectar


70

diferencias energéticas según el entorno en que se encuentre el átomo. La radiación

utilizada en esta técnica no penetra en el interior de los sólidos (penetración ~ 1 nm),

por lo que la información que pueda aportar esta técnica de análisis es exclusivamente

de su superficie más externa. La aplicación de la espectroscopia fotoelectrónica de rayos

X en materiales carbonosos, resulta especialmente útil, ya que, a diferencia de lo que

ocurre con otras técnicas, no se ve perturbada por la intensa absorción de fotones por

parte de los carbones.

El oxígeno es determinado por XPS junto con el resto de elementos, con muy

buena precisión, y, a través de un espectro general se detectan todos los elementos

presentes en proporciones significativas. Por el contrario, una de las debilidades de esta

técnica cuando se emplean materiales carbonosos, es que no permite determinar el

contenido en hidrógeno.

Una de las ventajas de mayor utilidad de la técnica de XPS, en el caso de

carbones, es la capacidad para discriminar el entorno químico del elemento en función

del desplazamiento sufrido por el pico característico. Así, desplazamientos hacia

energías de enlace mayores reflejan una disminución en densidad electrónica en torno al

núcleo (oxidación), mientras que desplazamientos hacia energías de enlace menores

reflejan la reducción del elemento correspondiente. Se encuentran descritas en la

bibliografía, correlaciones lineales entre estos desplazamientos y la carga sobre los

átomos en complejos carbono-oxígeno [74,75], de tal forma que enlaces simples,

dobles, simples más dobles o triples se relacionan con complejos fenólicos, carbonílicos

y carboxílicos, respectivamente [76]. El problema de la cuantificación de la variedad de

especies oxigenadas ha sido objeto de diferentes estudios. En la mayoría de los casos, se

realiza la deconvolución, previo suavizado, de los picos de alta resolución C1s y O1s,

mediante un ajuste por mínimos cuadrados a funciones gaussianas [77] o

gaussianas/lorenzianas [78,79] según el esquema que se describe a continuación. Para

el C1s se utiliza como referencia el pico principal, que se asigna a C-Cgrafítico/C H (no

resoluble por la escasa separación entre ellos) a 284,6 eV. El pico O1s, generalmente

presenta una peor resolución, y es más difícil de precisar (Tabla 1). La deconvolución

del pico N1s es dudosa, aunque se han llegado a describir cinco especies diferentes

[80].

PARTE EXPERIMENTAL

71

Tabla 1. Grupos superficiales asignados a los picos, XPS [81]

Pico (eV) Grupo superficial Asignación

C1s 284.2-284.9 C Carbono grafítico

285.4-286.3 C-O- fenol, alcohol, éter

287.2-287.9 C=O carbonilo o quinona

288.7-289.3 COO carboxilo o éster

290.2-290.8 C=O/C=C carbonato, CO

ocluido, Electrones π

de anillo aromáticos

291.0-291.6 Transición π-π transición por

conjugación

O1s 530.1-530.6 Oxígeno/H óxidos de metales,

Fe2O3, Al2O3

531.7-532.4 C=O oxígeno doble unido

a carbono

533.2-533.8 C-O oxígeno simple unido

a carbono en anillos

aromáticos, fenoles o

éteres

536.2-536.8 C=O CO ocluido, CO2


72

Las diferencias observadas en los resultados obtenidos a partir de los picos C1s y

O1s se atribuyen a diferencias en la profundidad implicada [80] puesto que la

sensibilidad superficial aumenta con la mayor energía cinética del electrón, y en

consecuencia en el sentido C1s > N1s > O1s. En este trabajo, los espectros XPS han

sido obtenidos en un espectrómetro VG ESCALAB 200R, utilizando una radiación

MgKα (1253,6 eV), operando en un vacío residual de 5 x 10-9 mbar durante la

adquisición de los datos. Todos los espectros han sido realizados en el Grupo del

Profesor J.L.G. Fierro, del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC en Madrid.

3.4.2.3 Análisis Térmico

Los cambios de masa de una muestra en función de la temperatura establecen la

base de la Termogravimetría (TG), donde dichos cambios de masa son medidos de una

forma continua, mientras la muestra se somete a un programa controlado de

calentamiento o enfriamiento [82]. Los análisis convencionales pueden ser de tres tipos:

- Termogravimetría isoterma (temperatura constante) donde se registra la masa de

la muestra en función del tiempo.

- Termogravimetría quasi-isoterma; la muestra es calentada a una velocidad

considerablemente lenta, de tal forma que el proceso transcurre a través de

sucesivas situaciones de equilibrio termodinámico.

- Termogravimetría dinámica; la muestra se somete a una velocidad de

calentamiento constante, siendo éste el procedimiento más utilizado.

Las curvas de TG representan la masa de una muestra en función de la

temperatura o del tiempo. En una curva termogravimétrica típica, donde se produce un

proceso de pérdida de masa en una única etapa, hay que tener en cuenta los valores de la

temperatura inicial de descomposición (Ti), temperatura a la que la termobalanza

comienza a detectar cambios de masa, y los valores de la temperatura final de

descomposición (Tf), temperatura en la que la variación de masa alcanza un máximo. El

espacio entre ambas temperaturas se conoce como intervalo de reacción.

La Desorción Térmica Progamada (DTP) es una técnica muy apropiada para la

caracterización de superficies [73, 83]. El termograma de desorción, representa la

velocidad de desorción en función de la temperatura (la curva DTG es la primera

derivada de la curva TG). Por tanto, ambas curvas TG y DTG contienen información

idéntica de un mismo experimento. La gran ventaja de las curvas DTG, es que

PARTE EXPERIMENTAL

73

proporciona una mejor cuantificación de procesos con etapas solapadas. Es posible

caracterizar los grupos funcionales superficiales de los carbones activados a través de

esta técnica, considerando que un tratamiento térmico en atmósfera inerte de dichos

grupos funcionales muestra sus reacciones de composición. Así, es ampliamente

conocido que los grupos funcionales de tipo carboxílico se descomponen mediante

calentamiento po reacción de descarboxilación en dióxido de carbono y vapor de agua.

Los grupos de tipo quinona o fenoles se descomponen en monóxido de carbono y

monóxido de carbono y agua, respectivamente, por reacción de descarbonilación.De

esta manera, analizando por espectrometría de masas los gases, y teniendo en cuenta los

intervalos de temperaturas a los cuales ocurren estas reacciones de descomposición, es

posible identificar la naturaleza y cuantificar los grupos funcionales superficiales de unc

arbón. En la Tabla 2 se resumen los valores de temperaturas de descomposición de los

grupos funcionales oxigenados más frecuentes, presentes en un carbón activado.

Tabla 2. Identificación de grupos funcionales oxigenados atendiendo a su

descomposición por desorción térmica programada (DTP) [84-86]

Grupo funcional Gas T (ºC)

Ácido carboxílico CO2 150-400

Lactona CO2 350-400, 630

Fenol CO 600-700

Carbonilo CO 700-900

Anhídrido CO + CO2 300-400, 600-650

Éter CO 700

Quinona CO 700-900


74

En este trabajo, la estabilidad térmica de los catalizadores de carbón alcalinos

preparados se realizó utilizando un equipo de análisis termogravimétrico TA

Intruments, modelo SDT Q600 TG-DSC acoplado a un espectrómetro de masas

cuadrupolar Balzers THERMOSTAR empleando una rampa de calentamiento de 1 ºC/

min hasta 1000 ºC en flujo de helio (100 mL/min). También se determinó la cantidad de

metal alcalino de cambio presente en el carbón activado a partir de las cenizas

obtenidas. Todos los análisis de termogravimetría se llevaron a cabo en el laboratorio

del Departamento de Química Inorgánica y Química Técnica de la UNED en Madrid.

http://portal.uned.es/portal/page?_pageid=93,678753&_dad=portal&_schema=PORTAL

3.4.2.4 Medidas de pH de los catalizadores

El pH de las muestras se determinó mediante el método descrito en la

bibliografía por Rivera y Ferro [87], usando un medidor de pH. El método consiste en

mantener agitando una mezcla de cada uno de los catalizadores de carbón en agua en

una proporción 1:20 durante 48 horas a temperatura ambiente. Transcurrido ese tiempo

se tomaron medidas de pH empleando un medidor pH modelo pH METER BASIC 20.

Todos los análisis de se llevaron a cabo en el laboratorio del Departamento de Química

Inorgánica y Química Técnica de la UNED en Madrid.

3.5. SISTEMAS DE REACCIÓN

3.5.1. Reactor discontinuo (batch)

Uno de los sistemas de reacción utilizados en el desarrollo de las diferentes

reacciones químicas de formación de enlaces carbono-nitrógeno (C-N) que se presentan

en esta tesis fue el reactor discontinuo (batch) provisto de un sistema de reflujo. En este

sistema, el reactor de vidrio Pyrex se encuentra sumergido en un baño de silicona

termostatizado y provisto de agitación magnética.

A continuación se expone detalladamente la metodología seguida durante la

realización de los experimentos en reactor discontinuo (batch) (Figura 11). En un

matraz provisto de dos bocas, una de ellas conectada al refrigerante y la otra libre para

la toma de muestras, se colocaba la mezcla de reactivos en ausencia de disolvente.

Posteriormente la mezcla se mantenía en continua agitación hasta alcanzar la

PARTE EXPERIMENTAL

75

temperatura de reacción deseada, momento en el que se añadía el catalizador, y se

empezaba a contabilizar el tiempo de reacción. La toma de muestra se realizaba de

forma periódica, a tiempos predeterminados, filtrando la muestra con ayuda de acetona

(5 mL) mediante una jeringa de émbolo provista de filtro, separando de esta forma el

catalizador sólido de los productos de reacción y reactivos no consumidos.

Posteriormente, la muestra extraída era analizada en un cromatógrafo de gases Agilent

6890N con detector de llama (FID) y columna capilar de metil-fenil-silicona de 60

metros de longitud. Los productos de reacción también eran analizados por

espectrometría de masas en un espectrómetro Hewlett-Packard HP5971A.

Figura 11. Reactor discontinuo (batch)

3.5.2. Reactor de ultrasonidos

El equipo de ultrasonidos empleado para el desarrollo de las diferentes

reacciones químicas de formación de enlaces C-N que se presentan en esta tesis fue un

baño de ultrasonidos modelo Selecta Ultrasound-H, con sistema de calefacción,

frecuencia de 40kHz y potencia de 550W.


76

En este sistema (Figura 12), en un tubo de ensayo de 30 mL provisto de tapa de

rosca, se colocaba la mezcla de reactivos en ausencia de disolvente. Posteriormente la

mezcla se mantenía sumergida en el baño ultrasónico hasta alcanzar la temperatura de

reacción deseada, momento en el que se añadía el catalizador, y se empezaba a

contabilizar el tiempo de reacción. La toma de muestra se realizaba de forma periódica,

a tiempos predeterminados, filtrando la muestra con ayuda de acetona (5 mL) mediante

una jeringa de émbolo provista de filtro, separando de esta forma el catalizador sólido

de los productos de reacción y reactivos no consumidos. Posteriormente, la muestra

extraída era analizada en un cromatógrafo de gases Agilent 6890N con detector de

llama (FID) y columna capilar de metil-fenil-silicona de 60 m. Los productos de

reacción también eran analizados por espectrometría de masas en un espectrómetro

Hewlett-Packard HP5971A.

Figura 12. Reactor de ultrasonidos

Agua

Mezcla dereacción

Matraz

Transductores ultrasónicos

Baño ultrasónico

PARTE EXPERIMENTAL

77

3.5.3. Programa de análisis de productos de reacción

Las condiciones de análisis por cromatografía de las muestras de reacción fueron

las siguientes:

-

-

-

-

-

-

Tiempo inicial: 0 min

Temperatura inicial: 100 ºC

Rampa de temperatura: 5 ºC/ min.

Temperatura final: 240 ºC

Temperatura del inyector: 230 ºC

Temperatura del detector: 240 ºC

Tiempos de retención

En las Tablas 3 y 4 se recogen los tiempos de retención observados, bajo las

condiciones especificadas en el apartado anterior, tanto de los reactivos como de los

productos de reacción:

Tabla 3. Tiempos de retención de los reactivos

Reactivos Tiempo de retención (minutos)

Imidazol 3.46

1-bromobutano 1.55

Bromuro de propargilo 1.75

Tabla 4. Tiempos de retención de los productos

Productos Tiempo de retención (minutos)

N-butilimidazol 6.92

N-propargilimidazol 7.26


78

Cálculo de rendimientos

El detector de ionización de llama (FID) proporciona una señal que es

proporcional al peso de muestra detectado, la cual debe ser corregida por el factor de

corrección correspondiente, que depende únicamente de cada producto y que ha sido

calculado empleando un patrón. Las conversiones molares Xi se calculan dividiendo el

área obtenida en el análisis del producto Ai por su factor de respuesta y por la relación

entre el peso molecular del producto y del reactivo Mi.

Xi (molesi) = Ai / (Factor de respuestai ⋅ Mi)

El cociente entre los moles de producto y los moles de reactivo es el valor del

rendimiento molar a cada producto.

Ri (%) = (molesi / moles de reactante) ⋅ 100

La suma de los rendimientos molares da la conversión total obtenida en la

reacción.

Xtotal = Σn0 Ri

El cociente del rendimiento de cada producto y la conversión total proporciona

la selectividad molar hacia ese producto.

Si (%) = Ri / Xtotal

Espectrometría de masas

A continuación se exponen los datos obtenidos del análisis de espectrometría de

masas sobre los productos de reacción. Estos análisis han sido realizados en un

espectrómetro Hewlett-Packard HP 5971 A (Tabla 5).

Tabla 5. Espectrometría de masas de los productos de alquilación

PRODUCTO Masas productos de reacción

N-butilimidazol m/s: 124(M+), 97, 81, 55(100), 41

N-propargilimidazol m/s: 106(M+), 79 (100), 52, 39

PARTE EXPERIMENTAL

79


80

81

4. RESULTADOS

RESULTADOS

83

4.1. ACTIVACIÓN ULTRASÓNICA PARA LA N-PROPARGILACIÓN DE IMIDAZOL MEDIANTE EL USO DE CARBONES DOPADOS CON METALES ALCALINOS

Artículo 1

TÍtulo: “Ultrasound-promoted N-propargylation of imidazole by alkaline-

doped carbons”

Autores: Vanesa Calvino-Casilda, Antonio José López-Peinado, Rosa María Martín-

Aranda, Santiago Ferrera-Escudero, Carlos Javier Durán-Valle

Revista: Carbon, 2004, 42,1362–1366


84

RESULTADOS

85

Ultrasound-promoted N-propargylation of imidazole by alkaline-doped carbons

RESUMEN

En este trabajo se investigó la síntesis y caracterización de carbones basados en

la estructura de RX-1-EXTRA Norit. Los sólidos sintetizados fueron Na-Norit y Cs-

Norit.

Las propiedades texturales de los materiales sintetizados se determinaron a partir

de las isotermas de adsorción de nitrógeno, presentando un área superficial comprendida

en el intervalo de 1882-1541 m2g-1 y un volumen total de poro de 1.054 cm3g-1. Todas

las isotermas de adsorción son de tipo I, característica de un material microporoso,

según la clasificación de la IUPAC y un ciclo de histéresis de tipo H4, característico de

carbones activados con poros en forma de rendija, pero también con una importante

contribución de mesoposos. El área superficial del carbón Norit de partida decrece tras

el intercambio iónico con metales alcalinos, al igual que lo hace la relación Vmicro/Vmeso

en las muestras de carbones alcalinos.

La composición química de los sólidos investigados fue estudiada por análisis

elemental. Por análisis termogravimétrico se calculó el contenido del metal alcalino

correspondiente de cada catalizador. Así, se estimó que la capacidad de intercambio del

carbón RX-1-EXTRA Norit es, para el sodio, tres veces mayor que la capacidad de

intercambio para el cesio. Para disponer de un mayor conocimiento de la superficie de

los carbones, de su estado químico y del grado de dispersión metálica, se realizaron

estudios por XPS. Mediante esta técnica, también se calculó la relación atómica

metal/carbono (M/C) a partir de la intensidad de los picos y del factor de sensibilidad

atómico. La relación M/C disminuye a medida que aumenta el tamaño del catión

alcalino, siendo la relación Cs/C 2.4 veces menor que para el sodio, como consecuencia

del menor grado de intercambio del cesio, hecho que también quedó reflejado en los

resultados obtenidos por análisis termogravimétrico. Por el contrario, mediante XPS se

detectó un enriquecimiento en cesio en la superficie. Mientras que relación entre Cs y

Na (at-gr M/100) determinada por termogravometría es 3 veces mayor en la muestra

Na-Norit que en la muestra Cs-Norit.

El orden de basicidad establecido a partir de las medidas de pH fue el siguiente:

Norit<Na-Norit<Cs-Norit; Norit (pH= 8.0), Na-Norit (pH= 8.3) y Cs-Norit (pH= 10.3).


86

Los sólidos objeto de estudio se probaron en la reacción de propargilación de

imidazol con bromuro de propargilo a 298 y 323 K bajo activación térmica

convencional (batch). Para intensificar el proceso, la reacción se llevó a cabo también

bajo activación por ultrasonidos. En ambas condiciones de reacción, el catalizador más

activo fue Cs-Norit. En todos los casos, la conversión aumenta cuando se emplea

ultrasonidos, obteniéndose una selectividad del 100 % en todos los casos. Los

resultados obtenidos ponen de manifiesto que la combinación de un catalizador de tipo

RX-1-EXTRA Norit con metales alcalinos (Na y Cs) en su estructura, unidos a los

efectos de la sonocatálisis sobre la reacción, constituyen un excelente método, limpio y

eficaz, para la preparación de imidazoles propargilados en la posición del nitrógeno.

Además, este método es una alternativa práctica y sencilla al calentamiento térmico

convencional, presentándose como un proceso ambientalmente benigno en el que se

minimiza la generación de residuos.

Los materiales de tipo carbonoso se pueden usar eficazmente en la preparación

de fármacos antivirales de estructura imidazólica, lo que es una alternativa al uso de

catalizadores en fase líquida, empleados por la industria de forma tradicional, como es

NaOH/EtOH.

Los resultados obtenidos en este trabajo mostraban por primera vez en

bibliografía el uso combinado de la radiación ultrasonidos con carbones alcalinos como

catalizadores para intensificar procesos de Química Fina, y en particular la síntesis de

intermedios de fármacos.

RESULTADOS

87


88

Ultrasound-promoted N-propargylation of imidazoleby alkaline-doped carbons

V. Calvino-Casilda a, A.J. L�opez-Peinado a,*, R.M. Mart�ın-Aranda a,S. Ferrera-Escudero a, C.J. Dur�an-Valle b

a Departamento de Qu�ımica Inorg�anica y Qu�ımica T�ecnica, UNED, Paseo Senda del Rey 9, 28040 Madrid, Spainb Departamento de Qu�ımica Inorg�anica, Universidad de Extremadura, Avda. de Elvas s/n, 06071 Badajoz, Spain

Received 10 July 2003; accepted 28 December 2003

Available online 20 February 2004

Abstract

The synthesis of N-propargyl imidazoles via alkylation of imidazole with propargyl bromide by sonochemical and thermally

activated reactions over two alkaline promoted carbons (Na and Cs-Norit) as catalysts is reported. In this green, solvent free

procedure, we produce exclusively N-propargyl imidazoles in very high yields (>80%) when the Csþ-Norit carbon is employed under

ultrasound activation. The basicity of the alkaline cation increases the conversion and ultrasound activation affords a remarkable

increase in the yields. The catalysts were characterized by thermal analyses, X-ray photoelectron spectroscopy and nitrogen

adsorption isotherms.

� 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Keywords: A. Activated carbon; B. Catalyst; D. Catalytic properties

1. Introduction

The anionic alkylation of N-heterocycles is the pri-

mary route to obtain pharmaceutically important

intermediate products [1]. N-propargyl heterocycles are

of interest because of their pharmacological properties.

Their synthesis in basic media usually affords low yields

of the desired product, affording a mixture of N-allyland N-propargyl derivatives. The practical use of base

catalysts has largely been restricted to the production of

specialty chemicals. Many solid base catalysts often tend

to deactivate more rapidly than their acidic counter-

parts. However, there are numerous classes of reactions

that can be catalysed by heterogeneous bases [2].

In an attempt to meet effective conditions for the N-

alkylation of heterocycles, attention has turned to theuse of heterogeneous catalysts, which can be removed

from the reaction mixture by filtration. In this context,

we have shown earlier that the alkaline-doped carbons

are highly effective in the imidazole alkylation [3]. Other

methods have augmented the effect of the catalysts with

the addition of microwave irradiation [4] and ultrasound

activation [5].

In the present work, our goal is to study the influence

of alkaline-doped metal on the effective basicity of car-

bon materials during the N-propargylation of imidazole

by propargyl bromide. The N-propargyl imidazoles of

type A (Fig. 1) are key intermediates in the synthesis ofpharmaceutically important anticonvulsant and bacte-

ricidal products. Moreover, this work reports the

experimental results obtained in a sonicated heteroge-

neously catalysed reaction on basic carbon materials,

showing remarkable effect of ultrasonic activation for

the catalytic N-propargylation of imidazole.

The chemical effects of ultrasounds have been

attributed to the implosive collapse of the cavitationbubbles formed during the interaction between a suit-

able acoustic wave field and a potentially reacting

chemical system [6]. The bubbles are generated at

localized points in the liquid mixture. Trapped within a

microbubble, the reactant mixture is exposed to a high

pressure and temperature, where the molecules fracture

forming very reactive species, which react with the

surrounding molecules. When the catalyst is a solid

*Corresponding author. Fax: +34-91-398-8378.

E-mail address: [email protected] (A.J. L�opez-Peinado).

0008-6223/$ - see front matter � 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

doi:10.1016/j.carbon.2004.01.014

Carbon 42 (2004) 1363–1366

www.elsevier.com/locate/carbon

mail to: [email protected]

material, the ultrasonic irradiation has additional

enhancement effects such as surface cleaning, particle

size reduction, crystal defects and metal activation [7].

For comparison, the results obtained under thermal

activation are also presented. The influence of several

other factors during the reaction has been investigated

as well.

2. Experimental

An activated carbon RX-1 EXTRA Norit has been

employed as pristine carbon. The basic catalysts wereprepared by ionic exchange using the corresponding

solution (2 M) of the alkaline chlorides for about 60 h at

353 K. In all cases the liquid-to-solid ratio was 10 by

weight. The samples were filtered and washed with water

until no chloride anions could be detected. After drying

for 16 h at 383 K, the carbons were crushed and sieved

to a particle size <0.140 mm. The Norit RX-1 EXTRA

carbon is a well-characterized steam activated peat-char,which has a total open pore volume of 1.054 cm3 g�1 and

a wide range of pores (V1 ¼ 0:455 cm3 g�1, V2 ¼ 0:108cm3 g�1 and V3 ¼ 0:491 cm3 g�1; V1 ¼ pore volume of

/ < 7:5 nm, V2 ¼ pore volume of 7:5 < / < 50 nm and

V3 ¼ pore volume of / > 50 nm). The apparent specific

areas of the carbon samples were calculated by the BET

method from N2 adsorption data at 77 K, measured in a

Micromeritics ASAP 2010 equipment (Table 1).Photoelectron spectra (XPS) were acquired with a

VG ESCALAB 200R spectrometer equipped with a

hemispherical electron analyzer and MgKa (hm ¼ 1253:6eV) X-ray source. The residual pressure in the ion-

pumped analysis chamber was maintained below

5 · 10�9 mbar during data acquisition. The intensities of

C 1s, O 1s, and Na 1s or Cs 3d5=2 peaks were estimated

by calculating the integral of each peak after smoothingand subtraction of the ‘‘S’’-shaped background and fit-

ting the experimental curve to a combination of

Gaussian and Lorentzian lines of variable proportion.

The binding energies (BE) were referenced to the major

C 1s component at 284.9 eV, this reference giving BE

values with an accuracy of ±0.1 eV.

The ash contents of the studied catalysts were ob-tained by thermogravimetric analysis (TG/DTA Seiko

System 320). The calculated metal contents (Table 1)

indicate that the exchange capacity of Norit RX-1 EX-

TRA carbon for sodium is around three times the ex-

change capacity for cesium. This is not surprising taking

into account that the surface of the active carbon has a

determined density of surface groups with negative

charge, which interact with the Mþ ions by electrostaticforces during the adsorption–impregnation process. For

reasons of steric hindrance, and principally in the mi-

cropores of the substrate, it is obvious that the Naþ ions

(ionic radius¼ 0.095 nm) can easily access the centers

located in micropores, whereas the Csþ ions (ionic

radius¼ 0.169 nm) have to overcome a diffusional bar-

rier [8].

The pH of the samples studied was measured fol-lowing the method described by Rivera et al. [9] using an

Omega pH-meter, model PHB-62.

Thermally activated experiments were performed

using a batch reactor system under stirring. A mixture of

the two reactants, imidazole (5 mmol) and propargyl

bromide (15 mmol) without any solvent, is kept in a

Pyrex flask under stirring while heating to the reaction

temperature (298 and 323 K). Then, the catalyst is addedand the reaction time starts. Samples are taken period-

ically between 15 and 120 min.

The ultrasonically activated reactions were carried

out in a flask, suspended into the ultrasonic bath (Se-

lecta Ultrasound-H) with a heating system, 40 kHz, and

550 W at the reaction temperature. Dry media, atmo-

spheric pressure, 0.025 g of the corresponding catalyst

(Na- or Cs-Norit) and an excess of propargyl bromidewere employed at either reaction temperature.

The products were isolated by standard procedures

and characterized by GC. Previously to any experiment

blank runs were carried out, concluding that the reac-

tion, in the absence of the catalyst was negligible.

3. Results and discussion

3.1. Catalysts characterization

Table 1 summarizes the apparent specific area, the

pH and the metal contents of the catalysts. The pristinecarbon, RX-1 EXTRA Norit, exhibits a basic pH (8.0),

which increases only slightly in the sample exchanged

with sodium, but considerably in the Cs-Norit sample.

In spite of the exchange capacity for cesium being

around three times less than the capacity of sodium, the

higher basicity of the former cation could be responsible

for the observed increase in the pH.

Table 1

Characterization of the catalysts

Catalyst SBET (m2/g) pH Ash (%) Metal (at-g/100 g cat.)

Norit 1882 8.0 3.1 –

Na-Norit 1541 8.3 4.8 0.055

Cs-Norit 1686 10.3 5.5 0.017

Fig. 1. N-propargyl imidazole.

1364 V. Calvino-Casilda et al. / Carbon 42 (2004) 1363–1366

In order to get a more precise idea about the chemicalstate and the relative dispersion of the alkaline metals on

the surface of the carbon, a surface analysis of the dif-

ferent samples by X-ray photoelectron spectroscopy was

carried out. The binding energies of C 1s and O1s core

levels and the characteristic inner levels of the alkaline

elements are given in Table 2, together with the M/C

atomic ratios, determined from the peak intensities and

the tabulated sensitivity atomic factors.Peak synthesis procedures revealed several compo-

nents in the C 1s core level. A major peak at 284.9 eV

and another three (four in the case of pristine Norit) at

higher binding energies can be discerned. The peak lo-

cated at 284.9 eV can be assigned to the C–C bonds of

graphitic-like structure of the carbon. The H-containing

species (–CH–) should be included in the same peak, due

to the small chemical shift between these species and C–C [10]. A second peak with 15–23% ratio of the total

area is observed around 286.4 eV, which can be associ-

ated with C–O bonds in alcohols. The third component

close to 288 eV, in general less intense than the former, is

attributed to ketonic species (C@O) and the last one,

above 289 eV, to more oxidized (–COO–) or carbonate

species.

Similarly, the O 1s line profile is quite complex,especially in the Norit sample. The first component at

531 eV, is due to C–O and/or COO species of the car-

bonaceous support. The second one, at 532 eV, is

attributed to hydroxides (and carbonates) of the corre-

sponding alkaline metals. In the Norit carbon sample,

another two components above 533 eV are observed,

which could be assigned to molecular water, probably

with different interaction degree with the surface ordifferent localization, for example, at the external sur-

face and micropores [10].

The binding energies of the inner electrons of the

alkaline elements fit well with hydroxide species, al-

though carbonate species cannot be discarded, due tothe proximity of the binding energies. Nevertheless, this

does not mean that Naþ and Csþ are not ion exchanged

on surface negative groups. As it is known, the surface

of carbon materials contains negative groups that easily

interact with alkaline cations when the corresponding

ion exchange treatment is carried out [11]. This ion ex-

change generates the active sites. By contrast, exposure

to ambient condition can generate a partial carbonation,of alkaline cations on the surface, by reaction with CO2,

as detected by XPS. This is a frequent process in basic

solid materials.

With respect to the M/C atomic ratios, they tend to

diminish when the size of the alkaline cation increases as

a consequence of the lower exchange in the case of ce-

sium, as determined by thermogravimetric analysis.

However, the XPS results show slight cesium enrich-ment at the surface, because the M/C ratio is around 2.4

times less for cesium than for sodium, meanwhile the

content in metal (at-g M/100 g carbon) determined by

thermogravimetric analysis is three times higher for Na-

Norit than for Cs-Norit carbon.

3.2. Catalytic experiments under ultrasonic activation

In general, the propargylation of N-heterocycles in

basic media affords several products with low yield and

selectivity for the desired N-propargyl derivative A.

Under ultrasonic activation, the N-propargyl deriv-

ative A is selectively obtained when imidazole is alkyl-ated with propargyl bromide. The mass spectrum of the

reaction product [MS m/s: 106(Mþ), 79 (100), 52, 39]

confirms that the only product obtained is compound

A.

Undoped Norit catalyst affords conversion values of

7.2% and 10.6% under thermal and ultrasonic activa-

tion, respectively, at 298 K after 120 min (Table 3).

Table 2

Binding energies (eV) of core electrons and atomic ratios calculated by XPS

Catalyst C 1s O1s M M/C atomic ratio

Norit 284.9 (57) 531.2 (29)

286.4 (23) 532.5 (41)

288.9 (7) 533.9 (19) – –

290.6 (6) 535.2 (11)

292.5 (7)

Na-Norit 284.9 (57)

286.2 (15) 530.9 (44) 1072.5a 0.0050

287.5 (15) 532.7 (56)

289.4 (13)

Cs-Norit 284.9 (59)

286.5 (20) 530.9 (47) 723.9b 0.0027

288.1 (10) 532.6 (53)

289.7 (11)

Values in parenthesis indicate the percentage of each peak.aNa 1s.b Cs 3d5=2.

V. Calvino-Casilda et al. / Carbon 42 (2004) 1363–1366 1365

Conversion on undoped Norit catalyst increases

moderately with temperature and is higher under

ultrasound activation. Nevertheless, when the reaction is

carried out on Na- and Cs-promoted carbons, these

values are considerably higher, reaching values of con-

version around 50% and selectivity of 100% when Na-

Norit is employed as catalysts, and 75% when Cs-Norit

is the catalyst under ultrasound activation. The mainnoticeable effect was a marked increase of N-propargyl

imidazole production with the Cs-doped carbon under

ultrasonic activation while a high selectivity is main-

tained. Table 4 shows the yields of isolated pure prod-

ucts obtained under thermal and ultrasonic activation

after 2 h of reaction. The conversion is greater for the

Cs-Norit carbon, which affords the highest yields to N-

propargyl imidazole (75% at 120 min). This is attributedto the significant increase of the strength of basic sites on

the surface of the catalyst. The basicity of alkali-doped

Norit carbons increases with the size of the alkaline

cation, being the order of activity Na-Norit <Cs-Norit,

which parallels the order of activity under thermal and

ultrasound activation temperatures.

The enhancing effects on the reaction rate by com-

bining the basicity of the alkaline-doped carbon withultrasonic waves is presented as an alternative method

for the production of N-propargyl imidazoles. In gen-

eral, the use of ultrasonic waves can be extended to

enhance the activity of other types of heterogeneous

catalysts for industrial reactions, which demand very

mild reaction conditions [12–14].

4. Conclusions

The results demonstrate that N-propargylation of

imidazole with suitable activated carbons under ultra-

sound activation results in the mild and effective syn-

thesis of N-propargyl imidazole with nearly 100%

selectivity. This method thus offers a practical alterna-tive to conventional heating and traditional base cata-

lysts and the process itself is environmentally friendly

with minimal waste.

Acknowledgements

Financial support by the Spanish CICYT (ProjectMAT2001-0319) is gratefully acknowledged. Norit

pristine carbon has been kindly supplied by Norit

Company. The authors thank Prof. JLG Fierro for the

XPS fruitful discussion.

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Table 3

Thermally and ultrasonically activated alkylation of imidazole with

propargyl bromide on undoped Norit carbon

Time (min) Thermal conversion

(%)

Ultrasound conversion

(%)

298 K 323 K 298 K 323 K

60 3.0 7.0 6.6 10.5

120 7.2 12.0 10.6 14.4

Table 4

Yields of isolated pure N-propargyl imidazole obtained on alkaline-

doped carbons under thermal and ultrasonic activation

Catalyst T (K) Yield (%)a

Thermal Ultrasound

Na-Norit 298 10 42

323 19 50

Cs-Norit 298 20 63

323 39 75

aReaction rate: 120 min.

1366 V. Calvino-Casilda et al. / Carbon 42 (2004) 1363–1366

RESULTADOS

89

4.2. ALQUILACIÓN DE IMIDAZOL BAJO

RADIACIÓN ULTRASÓNICA EMPLEANDO

CARBONES ALCALINOS

Artículo 2

Título: “Alkylation of imidazole under ultrasound irradiation over alkaline carbons”

Autores: Laureano Costarrosa, Vanesa Calvino-Casilda, Santiago Ferrera-Escudero,

Carlos Javier Durán-Valle, Rosa María Martín-Aranda

Revista: Applied Surface Science, 2006, 252, 6089-6092


90

RESULTADOS

91

Alquilación de imidazol bajo radiación ultrasónica empleando carbones alcalinos

RESUMEN

Este trabajo continúa la senda iniciada por el anterior y desarrolla

completamente la caracterización de una serie de carbones microporosos de distintas

composiciones químicas, que han sido modificados mediante el intercambio iónico con

dos cationes alcalinos (catalizadores bimetálicos) de forma simultánea:

• Na y K

• Na y Cs

• K y Cs

Los catalizadores así obtenidos son nombrados siguiendo la siguiente

nomenclatura: catalizadores bimetálicos MM´-Norit, que son: NaK-Norit, NaCs-Norit,

KCs-Norit, y su actividad catalítica ha sido probada en la reacción de alquilación de

imidazol con 1-bromobutano.

En este caso se presenta una serie de catalizadores bimetálicos, con el objetivo

de probar su actividad catalítica básica. La novedad más importante de este trabajo, en

comparación con los publicados hasta la fecha es el uso combinado de carbones

alcalinos bimetálicos de diferentes composiciones y, por consiguiente, con diferentes

propiedades básicas, y la radiación ultrasonidos que intensifica su actividad catalítica en

la reacción de alquilación de imidazol en condiciones suaves de reacción.

Los estudios de caracterización realizados confirman que, de forma general, las

áreas superficiales decrecen a medida que aumenta el tamaño de los cationes alcalinos.

Además, se calcula la concentración de cada metal en los carbones básicos preparados,

tanto por XPS como por análisis termogravimétrico.

Los resultados obtenidos en este trabajo muestran que un aumento de la

basicidad de los catalizadores de carbón preparados por intercambio iónico con dos

metales alcalinos, aumenta su eficiencia en la reacción de alquilación de imidazol con 1-

bromobutano. Además se observó, que la selectividad de la reacción se mantenía

constante e igual al 100% para todos los carbones alcalinos estudiados.


92

Por último, el orden de actividad observado en la alquilación de imidazol con 1-

bromobutano para los carbones alcalinos bimetálicos fue:

NaK-Norit < NaCs-Norit < KCs-Norit

La finalidad de este trabajo fue potenciar la actividad catalítica de los carbones

alcalinos mostrados en el anterior trabajo llevando a cabo su preparación por

intercambio iónico con dos metales alcalinos diferentes. Los resultados obtenidos

mostraron de nuevo que la combinación de carbones alcalinos bimetálicos con

activación ultrasónica para intensificar procesos de síntesis de intermedios imidazólicos

N-alquilados bajo condiciones suaves de reacción, resulta un método eficaz y de fácil

manejo. Es por ello que el presente trabajo resulta de gran interés para ser generalizado

en el área de síntesis de otros productos de Química Fina.

RESULTADOS

93


94

Alkylation of imidazole under ultrasound irradiation over

alkaline carbons

L. Costarrosa a, V. Calvino-Casilda a, S. Ferrera-Escudero a, C.J. Duran-Valle b,R.M. Martın-Aranda a,*

a Dpto. de Quımica Inorganica y Quımica Tecnica, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Educacion a Distancia (UNED),

C/Senda del Rey, 9, E-28040 Madrid, Spainb Dpto. de Quımica Inorganica, Facultad de Ciencias, Universidad de Extremadura,

Avenida de Elvas s/n, 06071 Badajoz, Spain

Available online 9 December 2005

Abstract

N-Alkyl-imidazole has been synthesized by sonochemical irradiation of imidazole and 1-bromobutane using alkaline-promoted carbons

(exchanged with the binary combinations of Na, K and Cs). The catalysts were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy, thermal

analysis and N2 adsorption isotherms. Under the experimental conditions, N-alkyl-imidazoles can be prepared with a high activity and selectivity. It

is observed that imidazole conversion increases in parallel with increasing the basicity of the catalyst. The influence of the alkaline promoter, the

reaction temperature, and the amount of catalyst on the catalytic activity has been studied. For comparison, the alkylation of imidazole has also

been performed in a batch reactor system under thermal activation.

# 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

PACS: 82.65; 81.05.Uw; 61.43.Gt

Keywords: Alkaline carbons; Ultrasound irradiation; Imidazole; Alkylation

1. Introduction

Ultrasonic irradiation leads to the acceleration of numerous

catalytic reactions in homogeneous as well as in heterogeneous

systems [1]. Furthermore, significant improvements can be

realized with regards to the yields [2–4]. The sonochemical

phenomena originate from the interaction between a suitable

field of acoustic waves and a potentially reacting chemical

system; the interaction takes place through the intermediate

phenomenon of the acoustic cavitation [5,6].

In general, sonication presents beneficial effects on the

chemical reactivity, such as to accelerate the reaction, to reduce

the induction period, and to enhance the catalyst efficiency [7].

The present paper reports the experimental results obtained

in a heterogeneous reaction (imidazole alkylation with 1-

bromobutane) catalyzed by alkali-loaded carbons under

ultrasonic activation, and in dry media (Scheme 1). For

comparison, the results obtained under thermal activation are

also presented. We have also investigated the influence of

different factors during the reaction, such as basicity of the

catalyst, catalyst amount and reaction temperature.

Activated carbons have been employed as selective catalysts

in this type of reactions [8], because of their microporous

structure, high degree of surface reactivity and extended surface

area [9]. The presence of alkaline promoters on the surface of

the carbons results in the generation of basic sites on their

structures [10].

The N-alkylation of heterocycles, particularly imidazole, has

been reported as key route to prepare important bactericidal

compounds [11]. The combination of ultrasound irradiation

with alkaline carbons as catalysts offers interesting prospects

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Applied Surface Science 252 (2006) 6089–6092

Scheme 1. Alkylation of imidazole with 1-bromobutane.* Corresponding author. Tel.: +34 913987351; fax: +34 913986697.

E-mail address: [email protected] (R.M. Martın-Aranda).

0169-4332/$ – see front matter # 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

doi:10.1016/j.apsusc.2005.11.032

because excellent selectivity is achieved under very mild

conditions.

2. Experimental

2.1. Catalysts preparation and characterization

An activated Norit RX-1-EXTRA carbon was employed

as pristine carbon. A series of basic carbons were prepared

by ionic exchange using the corresponding solution of the

alkaline chlorides for approximately 60 h at 353 K. In all

cases, the liquid-to-solid weight ratio was 10:1. After ion

exchange, the samples were filtered and washed until the

washed water was chloride free. After drying, the carbons

were pelletized, crushed and sieved to particle size ranging

from 0.074 to 0.140 mm in diameter. The series of alkali-

loaded catalysts is named: MM-N (NaK-Norit, NaCs-Norit

and KCs-Norit). The MM-N series was prepared by

impregnation of the carbon with a 1 M solution of each of

the two alkaline chlorides of the corresponding metals. Thus,

all the samples have the same theoretical amount of alkaline

cations. The ash contents of the catalysts were obtained by

thermogravimetric analysis (TG/DTA Seiko System 320).

The pH of the samples were measured following the method

described previously [12] using an Omega pH-meter, model

PHB-62.

Specific surface areas of the carbon samples were

determined by N2 adsorption isotherms at 77 K, applying the

BET method [13] in a Micromeritics ASAP 2010 Volumetric

System. Volume adsorbed in the different types of pores was

calculated by the Density Functional Theory (DFT) method

[14] by means of DFT plus software.

Photoelectron spectra (XPS) were acquired with a VG

ESCALAB 200R spectrometer equipped with a hemispherical

electron analyzer and Mg Ka (hn = 1253.6 eV,

1 eV = 1.6302 � 10�19 J) X-ray source.

2.2. Reaction procedure

2.2.1. Thermal induced reactions

A mixture of imidazole (5 mmol) and 1-bromobutane

(15 mmol) was heated (293, 313 and 333 K), while stirring,

in a batch reactor and in absence of any solvent. Then, the

catalyst was added and the reaction time commenced. The

reactions were followed by gas chromatography–mass spectro-

metry. The conversion is expressed in terms of amount of A in

wt% (Scheme 1).

2.2.2. Ultrasound induced reactions

Imidazole (5 mmol) and 1-bromobutane (15 mmol) were

mixed in a flask without any solvent. The flask was suspended

into the ultrasonic bath at the reaction temperature (293, 313

and 333 K). Then, the catalyst was added and the reaction time

started. The reactions were performed in an ultrasonic bath

(Selecta Ultrasound-H) with a heating system, 40 kHz of

frequency and 550 W of power.


3.1. Catalyst characterization

The pH values of the carbons are given in Table 1. The

pristine carbon presents a basic pH of 8.0, while the values for

the alkaline carbons are around 10.

The pristine carbon has 1450 m2/g of specific surface area,

with a total adsorbed volume of N2 of 0.571 cm3/g in pores

up to 2000 A (Table 2). The pore size distribution of this

carbon is principally microporous (81.8%) with an important

contribution of mesopores (16.5%). These data are reflected

in N2 isotherms profile, which is type I in BDDT

classification [13]. The hysteresis loop, classified as type

H4, is typical of activated carbons and it is due to the slit-

shaped pores, which are present in the carbon. A decrease in

the Vmicro/Vmeso ratio is observed for alkaline impregnated

carbons (Table 2).

Table 3 listed the XPS data for the catalysts. The O 1s line

profile is complex, especially in the Norit sample. Several

components can be distinguished. The first component centered

at 531 eV, may be due to the presence of C–O and/or COO

species of the carbonaceous support. The second one, at 532 eV,

is attributed to the hydroxides (and carbonates) of the

corresponding alkaline metals. In the pristine sample, other

two components above 533 eV are observed, which could be

assigned to molecular water, probably with different interaction

degree with the surface or different localization, for example, at

the external surface and in micropores. The binding energies of

L. Costarrosa et al. / Applied Surface Science 252 (2006) 6089–60926090

Table 2

Specific area (SBET) and adsorbed volume data obtained by DFT

Carbon SBET (m2/g) Vmicro (cm3/g) Vmeso (cm3/g) Vtot (cm3/g)

Norit 1450 0.467 (81.8) 0.094 (16.5) 0.571

NaK-N 1415 0.455 (74.8) 0.135 (22.2) 0.608

NaCs-N 1338 0.434 (78.2) 0.104 (18.7) 0.555

KCs-N 1416 0.463 (80.9) 0.095 (16.6) 0.572

Values in parenthesis indicate the percentage of each type of pore in carbon sample. Micropore: Ø < 20 A; mesopore: 20 A < Ø < 500 A. Vtot: volume adsorbed by

pores Ø < 2000 A.

Table 1

Some characterization data of the carbons

Carbon Ash (%) M2O (%) pH

Norit 3.1 – 8.0

NaK-N 5.2 1.9 9.8

NaCs-N 5.3 2.2 10.0

KCs-N 4.4 1.3 10.4

the inner electrons of the alkaline elements fit well with

hydroxide species, although carbonates species cannot be

discarded, due to the proximity of the binding energies of these

latter species. The exposure to ambient condition can generate a

partial carbonation of the surface by reaction with CO2, as

detected by XPS.

3.2. Synthesis of N-alkyl-imidazoles under ultrasound

irradiation

In this work, the influence of external parameters on the

ultrasound activated reaction is studied. In this way, the

influence of the basicity of the carbon and the reaction

temperature were analyzed. As example the conversions at

333 K are given in Fig. 1. The mass spectrum of the reaction

product confirms that A (MS m/s: 124 (M+), 97, 81, 55 (100),

41) is the only product formed, that is N-alkylated imidazole is

selectively obtained.

From these results it can be said that the order of activity is:

NaK-N < NaCs-N < KCs-N. The same trend is observed at

293 and 313 K. Conversions around 95% are obtained for the

KCs-N carbon.

The effect of the catalyst amount was studied using two

different amounts of catalyst (0.025 and 0.050 g). The results

are shown in Table 4. It can be said that the increase of the

catalyst amount is not as significant as expected. In general,

under ultrasound activation the conversion increases in a factor

of 1.2 when the catalyst amount is doubled. This can be due to

the equilibrium limited nature of the reaction.

The effect of the reaction temperature has been studied

during the alkylation of imidazole with 1-bromobutane under

ultrasonic waves and in a batch reaction system using different

L. Costarrosa et al. / Applied Surface Science 252 (2006) 6089–6092 6091

Table 3

Binding energies (eV) of core electrons and atomic ratios calculated by XPS

Catalyst C 1s O 1s M (BE) M/C atomic ratio

Na Cs K

Norit 284.9 (57) 531.2 (29)

286.4 (23) 532.5 (41)

288.9 (7) 533.9 (19) – – – –

290.6 (6) 535.2 (11)

292.5 (7)

NaK-N 284.9 (74) 531.4 (25) 1071.2b; 292.9a 0.0002 0.0005

286.6 (20) 533.0 (44)

288.3 (6) 534.8 (28)

NaCs-N 284.9 (73) 531.4 (27) 1071.2b; 723.9c 0.0001 0.0001

286.6 (18) 533.0 (45)

288.3 (9) 534.8 (28)

KCs-N 284.9 (74) 531.4 (25) 292.8a; 723.9c 0.0001 0.0006

286.6 (18) 533.0 (47)

288.3 (8) 534.8 (28)

Values in parenthesis indicate the percentage of each peak.a K 2p3/2.b Na 1s.c Cs 3d5/2.

Fig. 1. Alkylation of imidazole (5 mmol) with 1-bromobutane (15 mmol) using

0.025 g of alkaline-promoted carbons under sonochemical activation at 333 K.

Table 4

Alkylation of imidazole with 1-bromobutane under sonochemical activation

Catalyst Time (min) Conversion (%)

(A) (B)

NaK-N 15 25.3 35.6

30 30.1 53.2

60 42.6 65.6

120 50.2 74.7

NaCs-N 15 37.0 45.0

30 52.6 52.6

60 60.6 72.5

120 80.0 86.7

KCs-N 15 40.0 45.3

30 52.3 53.2

60 63.6 73.3

120 81.3 87.0

Influence of the catalyst amount: (A) 0.025 g and (B) 0.050 g. Reaction

temperature: 293 K.

amounts of catalysts. As an example, Fig. 2 shows the activity

of the catalyst at 60 min of reaction using 0.05 g of catalysts.

The ultrasonic irradiation enhances N-alkylation of imida-

zole much better than thermal activation at any temperature.

4. Conclusions

The use of alkaline carbons under ultrasound irradiation, in

the absence of any solvent, has been studied during the

alkylation of imidazole with 1-bromobutane at moderate

temperatures. An important enhancing effect in the yield

was found when ultrasound was used. This increase, combined

with the basicity of the carbons is an alternative method for the

clean production of N-substituted imidazoles.

Acknowledgements

V.C.C. thanks the Universidad Nacional de Educacion a

Distancia (U.N.E.D.) for a Ph.D. fellowship. Authors thank

Prof. J.L.G. Fierro for the XPS fruitful discussion. Financial

Support of this work by Spanish CICYT (project CTQ2004–

00243/PPQ) is gratefully acknowledged. Norit pristine carbon

has been kindly supplied by Norit Company.

References

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L. Costarrosa et al. / Applied Surface Science 252 (2006) 6089–60926092

Fig. 2. Alkylation of imidazole with 1-bromobutane under thermal (A) and sonochemical (B) activation with 0.05 g of catalyst after 60 min at different reaction

temperatures for the catalysts of the MM-N series.

95

4.3. EFECTO DE LA RADIACIÓN ULTRASÓNICA EN LA N-ALQUILACIÓN DE IMIDAZOL SOBRE CARBONES ALCALINOS: ASPECTOS CINÉTICOS

Artículo 3

Titulo: “The effect of ultrasound on the N-alkylation of imidazole over alkaline

carbons: Kinetic aspects”

Autores: Santiago Ferrera-Escudero, Elizabeth Perozo-Rondón, Vanesa Calvino-

Casilda, Blanca Casal, Rosa María Martín-Aranda, Antonio José López-Peinado, Carlos

Javier Durán-Valle

Revista: Applied Catalysis A: General, 2010, 378, 26–32


96

RESULTADOS

97

Efecto de la radiación ultrasónica en la N-alquilación de imidazol sobre carbones

alcalinos: aspectos cinéticos

RESUMEN

Los resultados presentados en los apartados 4.1 y 4.2, mostraban la influencia

sobre la basicidad de la presencia de metales alcalinos en soportes de carbón activado

Norit (catalizadores monometálicos: Na, K, Cs y catalizadores bimetálicos: NaK, NaCs

y KCs). Además, la actividad catalítica de estos carbones básicos se estudió en la

alquilación de imidazol para la obtención de imidazoles N-alquilados, tanto en

condiciones de activación térmica convencional como por activación ultrasónica. Para

completar este estudio, se decidió realizar un estudio mecanístico y cinético de la

reacción de alquilación, profundizando en el estudio cinético, tanto en reactor

discontinuo (batch) como en reactor ultrasónico, con idea de estudiar también la

influencia de la activación ultrasónica sobre la cinética de la reacción.

Nuestro grupo ya poseía experiencia en reacciones de alquilación de imidazol,

pues en trabajos previos [90] se estudió la alquilación de imidazol en presencia de una

serie de catalizadores alcalinos modificados con distintos cationes alcalinos (Li, Na, K y

Cs) y bajo activación por microondas. Sin embargo, hasta el momento no habíamos

intensificado los procesos de síntesis de intermedios de productos de Química Fina

combinando carbones alcalinos y activación ultrasónica. Es por ello que el estudio

cinético, más profundo en este caso, resultaba interesante.

En este apartado, con la caracterización físico-química completa de los

catalizadores, se estudió el efecto de la composición química y la naturaleza de los

metales alcalinos, así como su combinación en el caso de los bimetálicos, sobre la

reacción de alquilación de imidazol con 1-bromobutano, en ausencia de disolvente.

Además, se realizó también un estudio completo de la reutilización de los catalizadores

alcalinos.

Los primeros resultados de este estudio permitieron establecer un orden de

actividad de los catalizadores alcalinos influenciado por su composición química y el

metal alcalino o combinación de metales alcalinos presentes en el catalizador de carbón,


98

observándose para el caso de la obtención de N-butilimidazol el siguiente orden de

actividad:

Norit<Na-Norit<K-Norit<Cs-Norit

Norit<NaK-Norit<NaCs-Norit<KCs-Norit

La reacción de alquilación de imidazol con haluros de alquilo tiene lugar tanto

en medio ácido como en medio básico siguiendo un mecanismo de reacción diferente.

Los cálculos cinéticos de la reacción objeto de estudio se realizaron empleando un

modelo cinético de pseudo-primer orden, puesto que uno de los reactivos (el agente

alquilante) se encuentra en exceso. Calculando las constantes cinéticas de la velocidad

de la reacción a tres temperaturas diferentes (293, 313 y 333 K) se pudo concluir que la

velocidad de reacción aumentaba con la temperatura como era de esperar tanto bajo

activación térmica convencional como bajo activación ultrasónica, lo que confirmaba

también que no había control difusional en ambos casos, como ya habíamos

comprobado en experimentos previos (experimentos realizados empleando velocidades

de agitación diferentes y tamaños de partícula diferentes). Estos resultados nos

permitieron establecer también que el catalizador Na-Norit era aproximadamente la

mitad de activo catalíticamente, que los catalizadores conteniendo Cs en su estructura,

es decir Cs-Norit, NaCs-Norit y KCs-Norit, y ligeramente menos activo que el

catalizador conteniendo sodio y potasio, esto es NaK-Norit. Se observó que la cinética

de la reacción de N-alquilación en medio básico estaba, tanto bajo activación térmica

convencional como por activación ultrasónica, influenciada por el tamaño del catión

alcalino presente en la estructura del catalizador de carbón.

En cuanto a los estudios de recuperación y reutilización del catalizador, los

catalizadores KCs-Norit y Cs-Norit fueron reutilizados en esta reacción en 4 ciclos

sucesivos sin apreciarse pérdida significativa de actividad (condiciones de reacción, 323

K, 10 h). A partir del cuarto ciclo se observó una ligera pérdida de actividad catalítica

de aproximadamente un 5 %.

RESULTADOS

99


100

The effect of ultrasound on the N-alkylation of imidazole over alkalinecarbons: Kinetic aspects

S. Ferrera-Escudero a, E. Perozo-Rondon a, V. Calvino-Casilda b, B. Casal c, R.M. Martın-Aranda a,A.J. Lopez-Peinado a, C.J. Duran-Valle d,*a Departamento de Quımica Inorganica y Quımica Tecnica, Universidad Nacional de Educacion a Distancia (UNED), C/Senda del Rey, 9, E-28040 Madrid, Spainb Instituto de Catalisis y Petroleoquımica (C.S.I.C.), Campus UAM, Cantoblanco, E-28049 Madrid, Spainc Centro Nacional de Investigaciones Metalurgicas (CENIM; CSIC), Avda. Gregorio del Amo, 8, 28040 Madrid, Spaind Departamento de Quımica Organica e Inorganica, Facultad de Ciencias, Universidad de Extremadura, Avda. de Elvas s/n, E-06071 Badajoz, Spain

1. Introduction

Ultrasonic irradiation leads to the acceleration of numerousreactions in homogeneous or heterogeneous systems [1]. Further-more, significant improvements can be realized with regards to theyields [2–4].

The sonochemical phenomena are originated from the interac-tion between a suitable field of acoustic waves and a potentiallyreacting chemical system; the interaction takes place through theintermediate phenomenon of the acoustic cavitation. Threeimportant factors have to be considered when an ultrasonicinduced reaction is performed: the acoustic field, the bubbles fieldand the chemical system [5,6].

The chemical effects of ultrasounds have been attributed to theimplosive collapse of the cavitation period of the sound waves. Thebubbles are generated at localized sites in the liquid mixture thatcontain small amounts of dissolved gases. Trapped within amicrobubble, the reactants are exposed to a high pressure andtemperature upon implosion, the molecules are fractured forminghighly reactive species with a great tendency to react with thesurrounding molecules. When one of the phases is a solid, the

ultrasonic irradiation has several additional enhancement effectsand this is especially useful when the solid acts as catalyst [7,8]. So,the cavitation effects form microjects of solvent which bombardthe solid, increasing the interphase surface able to react. In general,the sonication presents beneficial effects on the chemicalreactivity, such as to accelerate the reaction, to reduce theinduction period, and to enhance the catalyst efficiency [9].

The objective of this contribution is to investigate the kineticsand the mechanism of the imidazole alkylation reaction(Scheme 1) catalyzed by basic carbons under both ultrasoundand conventional thermal activation. The authors have previouslyproved that this reaction can be carried out over acid zeolites andunder ultrasound activation following a different reaction mecha-nism [10]. In this report, the authors study the influence ofdifferent external parameters in this reaction such as basicity(alkaline promoter on the carbon), porosity, and amount of catalystand reaction temperature. The combination of these parameters ofthe catalysts enabled to be used for the highly selective synthesis ofN-alkylimidazoles.

The N-alkylation of heterocycles, particularly imidazole, hasbeen reported as a key route to prepare important bactericidal,fungicidal [11] and anticonvulsant [12] compounds.

Activated carbons have been employed as selective catalysts inrelated reactions, because of their microporous structure, highdegree of surface reactivity and extended surface area [13].

Applied Catalysis A: General 378 (2010) 26–32

A R T I C L E I N F O

Article history:

Received 4 December 2009

Received in revised form 27 January 2010

Accepted 28 January 2010

Available online 4 February 2010

Keywords:

Reaction kinetic

Sonocatalysis

Basicity

Activated carbons

Imidazole

Alkylation

A B S T R A C T

N-Alkylimidazoles have been synthesized by sonochemical irradiation of imidazole and 1-bromobutane

using alkaline-promoted carbons. The catalysts were characterized by X-ray photoelectron spectrosco-

py, thermal analysis and nitrogen adsorption isotherms. Under the experimental conditions, N-

alkylimidazoles can be prepared with a high activity and selectivity. It is observed that imidazole

conversion increases in parallel with increasing the basicity of the catalyst. For comparison, the

alkylation of imidazole has also been performed in a batch reactor system under thermal activation.

� 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

* Corresponding author. Tel.: +34 924289300.

E-mail address: [email protected] (C.J. Duran-Valle).

Contents lists available at ScienceDirect

Applied Catalysis A: General

journa l homepage: www.e lsev ier .com/ locate /apcata

0926-860X/$ – see front matter � 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

doi:10.1016/j.apcata.2010.01.041

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http://www.sciencedirect.com/science/journal/0926860X

http://dx.doi.org/10.1016/j.apcata.2010.01.041

Moreover, the inclusion of alkaline promoters on the carbonsresults in the generation of basic sites on their surface [14,15].

2. Experimental

2.1. Catalysts preparation and characterization

RX-1-EXTRA Norit carbon from Norit Company was treated withthe corresponding aqueous alkaline chloride solution (2 M) at 353 Kfor 1 h. The liquid/solid ratio was 10. The samples were filtered andwashed with distilled water until chloride free (AgNO3 test). Afterdrying at 373 K, overnight, the resulting carbons were pelletized,crushed and sieved to particle size of 0.074–0.140 mm diameter.

The two series of alkali-loaded catalysts are named: M-N (Na-Norit, K-Norit and Cs-Norit), and MM0-N (NaK-Norit, NaCs-Noritand KCs-Norit). The ash contents of the catalysts were obtained bythermogravimetric analysis (TG/DTA Seiko System 320). The pH ofthe samples was measured following the method described byRivera-Utrilla and Ferro-Garcıa [16] using an Omega pH-meter,model PHB-62.

Specific surface areas of the carbon samples were determinedby nitrogen adsorption isotherms at 77 K, applying the BET method[17] in a Micromeritics ASAP 2010 Volumetric System. Volumeadsorbed in the different types of pores was calculated by the DFT(density functional theory) method [18] by means of DFT plussoftware.

Photoelectron spectra (XPS) were acquired with a VG ESCALAB200R spectrometer equipped with a hemispherical electronanalyzer and MgKa (hn = 1253.6 eV, 1 eV = 1.6302 � 10�19 J) X-ray source. The powder samples were pressed into aluminumholders and mounted on a sample rod placed in the pretreatmentchamber of the spectrometer. After outgassing 1 h at roomtemperature, they were placed into the analysis chamber. Theresidual pressure in the ion-pumped analysis chamber wasmaintained below 5 � 10�9 Torr during data acquisition. Theintensities of C 1s, O 1s, and Na 1s or Cs 3d5/2 peaks were estimatedby calculating the integral of each peak after smoothing andsubtraction of the ‘‘S’’-shaped background and fitting theexperimental curve to a combination of Gaussian and Lorentzianlines of variable proportion. The binding energies (BE) werereference to the major C 1s component at 284.9 eV, this referencegiving BE values with an accuracy of �0.1 eV.

2.2. Reaction procedure

2.2.1. Ultrasonic induced reactions

Imidazole (5 mmol) and 1-bromobutane (15 mmol) weremixed in a flask suspended into the ultrasonic bath (SelectaUltrasound-H, with a heating system, 40 kHz of frequency, and550 W of power). Then, the corresponding catalyst was added andthe reaction started. The reactions were carried out at the reactiontemperatures: 293, 313 and 333 K, respectively in the absence ofany solvent.

2.2.2. Thermal induced reactions

Similar procedure was adopted for conventional thermalheating. The samples were magnetically stirred, in a batch reactor

in the absence of any solvent. Then, the catalyst was added to thereaction mixture and the reaction started.

The reaction was followed by gas chromatography–massspectrometry (GC–MS), using a 60-m-long phenyl-silicone capil-lary column and a flame ionization detector. The conversion isexpressed in terms of amount of A product (Scheme 1).

In previous experiments, it was found that for stirring speedsabove 1000 rpm, and particle sizes of diameter minor than0.250 mm, nor diffusion processes control exists, either externalor internal [15].


3.1. Catalyst characterization

The pH of samples is given in Table 1. The pristine carbon, RX-1-EXTRA Norit, exhibits a basic pH (8.0) that increases only slightly inthe sample exchanged with sodium, but considerably in the Cs-Norit sample (pH = 10.3). In spite that the amount of cesium in thesolid is around one-third of the sodium cation, the higher basicityof the Cs ions could be the cause of the increase observed in the pHof the cesium samples. The pH of the series MM0-N is within thevalues of M-N series, being all of them around 10 pH units.

As it was above mentioned the amount of sodium ion into theNorit is around 3 times the amount of cesium ions. This is expectedbecause the surface of the active carbon has a determined densityof active groups [17] which interact with the M+ ions byelectrostatic forces during the adsorption–impregnation process.For steric hindrance, mainly at the micropores of the substrate, it isobvious that the Na+ ions (ionic radius = 0.095 nm) can access thecenters located at the micropores, whereas the Cs+ ions (ionicradius = 0.169 nm) have to overcome a diffusional barrier.

Scheme 1. Alkylation of imidazole with 1-bromobutane.

Table 1Some characterization data of the catalysts.

Catalyst pH Ash (%) M2O (%) Metal (at-g/100 g cat.)

Norit 8.0 3.1 – –

Na-N 8.4 4.8 1.7 0.055

Cs-N 10.4 5.5 2.4 0.017

K-N 10.1 5.1 2.0 0.035

NaK-N 9.8 5.2 2.1 –

NaCs-N 10.0 5.3 2.2 –

KCs-N 10.4 4.4 1.3 –

Table 2Specific area (SBET) and adsorbed volume data obtained by DFT.

Sample SBET (m2/g) Vmicropore (cm3/g) Vmesopore (cm3/g) Vtot (cm3/g)

Norit 1450 0.467 (81.8%) 0.094 (16.5%) 0.571

Na–N 1375 0.440 (77.2%) 0.111 (19.5%) 0.570

Cs-N 1447 0.460 (84.7%) 0.074 (13.6%) 0.543

NaK-N 1415 0.455 (74.8%) 0.135 (22.2%) 0.608

NaCs-N 1338 0.434 (78.2%) 0.104 (18.7%) 0.555

KCs-N 1416 0.463 (80.9%) 0.095 (16.6%) 0.572

Values in parenthesis indicate the percentage of each type of pore in carbon sample.

Micropore: Ø<20 A; mesopore: 20 A<Ø<500 A. Vtot: volume adsorbed by pores

Ø<2000 A.

S. Ferrera-Escudero et al. / Applied Catalysis A: General 378 (2010) 26–32 27

Norit carbon used as pristine solid has a high specific surfacearea (1450 m2/g) and the total adsorbed volume of nitrogen(0.571 cm3/g) (Table 2). The pore size distribution of this carbon isprincipally micropores (81.8%) with an important contribution ofmesopores (16.5%). This data is reflected in N2 isotherms profile(Fig. 1), which is type I in BDDT classification [18]. The hysteresisloop, classified as type H4 [18], is typically of activated carbons as itis explained by the slit-shaped pores, present in the carbon [19,20].

The impregnation with different alkaline metals does notchange significantly the specific surface area characteristics of thesubstrate (Table 2). The isotherm curves show the same profile,and slight differences in specific surface area and microporevolume (Table 2). The Cs-N sample presents the higher value ofsurface area and nitrogen adsorption into the micropores.

In order to get a more precise idea about the chemical stateand the relative dispersion of the alkaline metals at the surface ofthe carbon, a study of the different samples by X-ray photoelec-tron spectroscopy was carried out. The binding energies of C 1sand O 1s core levels and the characteristic inner levels of thealkaline elements are given in Table 3, together with the M/Catomic ratios, determined from the peak intensities and thetabulated sensibility atomic factors [18]. The C 1s core level iscomplex, in which several components can be revealed. A majorpeak at 284.9 eV and another three (four in the case of the Noritpristine) centered at higher binding energies can be discerned.The peak located at 284.9 eV can be assigned to the C–C bonds ofgraphitic-like structure of the carbon, and even to H-containingspecies (–CH–), because the small chemical shift of these lastspecies with respect to the first ones makes it difficult todistinguish. A second peak with a 15–23% ratio of the total area isobserved around 286.4 eV, which can be associated with C–Obonds in alcohols or ethers. The third component close to 288 eV,in general less intense than the former, is attributed to ketonicspecies (C55O) and the last one, above 289 eV, to more oxidized (–COO–) or carbonates species [21]. In the Norit sample, besidesthis peak, which is observe at 290.6 eV, another componentaround 292.5 eV is detected. This last peak, due to a shake-upsatellite (p! p*) produced in the photoionization process ofgraphitic structure, is not observed in the alkaline-containingsamples.

Similarly, the O 1s line profile is quite complex, especially in theNorit sample and several components can be distinguished. Thefirst component centered at 531 eV, can be assigned to C–O and/orCOO species of the carbonaceous support [21]. The second one, at532 eV, is attributed to the hydroxides (and carbonates) of thecorresponding alkaline metals. In the Norit sample, another twocomponents above 533 eV are observed, which could be assigned

to molecular water [21], probably with different interactiondegrees with the surface.

The binding energies of the inner electrons of the alkalineelements fit well with hydroxide species, although carbonatesspecies cannot be discarded, due to the proximity of the bindingenergies of these last species. Nevertheless, it does not mean thatNa+ and Cs+ are not ion exchanged on surface negative groups. As itis known, the surface of carbon materials presents negative groupsthat easily interact with alkaline cations when the correspondingion exchange treatment is carried out. This ion exchange generatesthe active sites. By contrast, the exposure to ambient condition cangenerate a partial carbonation of the surface by reaction with CO2,as detected by XPS. This is a frequent process in basic solidmaterials. Hence, the alkaline carbon is considered as the truecatalyst [21].

With respect to the M/C atomic ratio, this ratio diminisheswhen the size of the alkaline cation increases as a consequence ofthe less exchange in the case of cesium than in the case of sodium,as determined by thermogravimetric analysis. However, the XPSresults show a slight cesium enrichment at the surface, because theM/C ratio is around 2.4 times less for the cesium than for thesodium, meanwhile the content in metal (at-g M/100 g carbon)determined by thermogravimetric analysis is 3 times higher for theNa-Norit than for the Cs-Norit.

3.2. Sonochemical synthesis of N-alkylimidazoles

Under our experimental conditions, N-substituted imidazole oftype A is selectively obtained. The mass spectrum of the reactionproduct confirms that A (MS m/s: 124 (M+), 97, 81, 55(100), 41) is

Fig. 1. N2 adsorption isotherm of pristine Norit carbon.

Table 3Binding energies (eV) of core electrons and atomic ratios calculated by XPS.

Catalyst C 1s O 1s M (BE) M/C atomic ratio

Na Cs K

Norit 284.9 (57) 531.2 (29)

286.4 (23) 532.5 (41)

288.9 (7) 533.9 (19) – –

290.6 (6) 535.2 (11)

292.5 (7)

Na-N 284.9 (57)

286.2 (15) 530.9 (44) 1072.5a 0.0050

287.5 (15) 532.7 (56)

K-N 289.4 (13)

284.9 (70) 531.0 (24) 293.0b 0.0030

286.8 (30) 532.8 (51)

534.5 (25)

Cs-N 284.9 (59) 0.0027

286.5 (20) 530.9 (47)

723.9c

288.1 (10) 532.6 (53)

289.7 (11)

NaK-N 284.9 (74) 531.4 (25) 1071.2a;

292.9b

0.0002 0.0005

286.6 (20) 533.0 (44)

288.3 (6) 534.8 (28)

NaCs-N 284.9 (73) 531.4 (27) 1071.2a;

723.9c

0.0001 0.0001

286.6 (18) 533.0 (45)

288.3 (9) 534.8 (28)

KCs-N 284.9 (74) 531.4 (25) 292.8b;

723.9c

0.0001 0.0006

286.6 (18) 533.0 (47)

288.3 (8) 534.8 (28)

Values in parenthesis indicate the percentage of each peak.a Na 1s.b K 2p3/2.c Cs 3d5/2.

S. Ferrera-Escudero et al. / Applied Catalysis A: General 378 (2010) 26–3228

produced. Under base catalysis, imidazole reacts with electrophilesat the N-position (Scheme 2). The nature of the products dependsupon the choice of the alkylating conditions and of catalyst type. Aswe have shown, alkaline-promoted carbons are appropriatematerials to catalyze basic organic reactions showing, under ourexperimental conditions, basic sites up to pKa = 16.5 [22].Considering that the NH group of imidazole presents apKa = 14.5, these carbons could be appropriate catalysts to performthe alkylation [23].

3.2.1. Kinetic study

The alkylation of imidazole with alkyl halides proceeds underboth acid [10] and basic (Scheme 2) media following a differentreaction mechanism. In Table 4 is shown the kinetic parameters

obtained from the alkylation of imidazole reactions under bothconventional thermal and sonochemical activation by usingdifferent basic solid catalysts. In the present work N-substitutedimidazole (A) was obtained as the only product of the alkylation ofimidazole. The reaction proceeds with 100% selectivity to N-butylimidazole under all reaction conditions. The reportedselectivity was determined in the following way [yield of desiredproduct]/([yield of detected product] + [detected reactant]). Thetotal balance calculated to carbon atoms was in all cases betterthan 98%.

The results obtained in Table 4 were obtained by fitting apseudo-first order kinetic model considering that one of thereactant is in excess [10], in our case 1-bromobutane concentra-tion, not showing any significant change during the reaction. Fromthese results it can be said that Na-Norit catalyst is approximatelyhalf as active as catalysts containing caesium, these are Cs-, NaCs-and KCs-Norit and slightly lower than that containing potassium,this is NaK-Norit. It can be observed that the rate constantsdecrease in the order: Cs-Norit > KCs-Norit > NaCs-Norit > NaK-Norit > K-Norit < Na-Norit.

Under our experimental conditions, the reaction was neithercontrolled by external nor internal diffusion as it was confirmed byusing different particle sizes of the catalysts (0.074, 0.140 and0.250 mm) and different stirring rates (600 and 1500 rpm). Fromthe Arrhenius equation, the activation energies were alsocalculated. The results obtained for the five catalysts employedin this study confirm that the reaction rate is not limited by porediffusion and that it is controlled chemically (Ea > 20 kJ/mol).

3.2.2. Influence of external parameters

3.2.2.1. Influence of the basicity of the catalyst and temperature. Thealkylation of imidazole with 1-bromobutane was performed onboth series of catalysts, M-N and MM0-N at different temperatures.As an example the conversions at 333 K are given in Fig. 2.

From these results it can be said that the order of activity is

Na-N < K-N < NaK-N < NaCs-N < KCs-N � Cs-N:

Scheme 2. Reaction mechanism between imidazole and electrophiles.

Table 4Kinetic rate constants for the alkylation of imidazole (5 mmol) with 1-bromobutane

(15 mmol) under sonochemical activation using alkaline carbons (0.05 g).

Catalyst T (K) Batch k

ð�104 M�1 s�1 g�1catÞ

Ultrasounds k

ð�104 M�1 s�1 g�1catÞ

Na-Norit 293 0.82 3.65

313 2.00 9.85

333 2.78 15.3

Cs-Norit 293 2.28 7.48

313 4.36 8.61

333 5.11 18.7

K-Norit 293 1.68 4.37

313 2.11 8.57

333 3.53 8.87

NaCs-Norit 293 2.22 7.18

313 3.10 7.80

333 4.79 8.77

KCs-Norit 293 2.36 7.27

313 4.32 7.95

333 4.89 9.10

NaK-Norit 293 1.83 4.80

313 2.26 7.52

333 3.06 8.99

Fig. 2. Alkylation of imidazole (5 mmol) with 1-bromobutane (15 mmol) using 0.025 g of alkaline-promoted carbons under sonochemical activation at 298 K. (A) M-N series

and (B) MM0-N series.


Cs-N is around 1.3 times more active than Na–N. Thus, conversionsof 99% are reached in only 120 min of reaction when Cs-N is thecatalyst at 333 K. Closer conversions (around 93%) are obtainedwhen the catalyst is doped with K and Cs (KCs-N). The activity ofthe samples NaK-N and NaCs-N is intermediate between Cs-N andNa-N catalysts. This trend indicates that the type of promoter isdecisive to define the basicity of these catalysts. Moreover, thereaction is extremely sensitive to slight modification of the catalystbasicity. Thus, the Lewis basic character is determined by thealkaline dopant. The same trend is observed at 293 and 313 K. Fig. 3displays the conversion values at 120 min of reaction as anexample of the influence of the temperature on the ultrasonicinduced reactions. As this figure shows, from the results obtainedat 293 and 313 K, the conversion increases with the reactiontemperature, keeping the selectivity 100% in all cases due to thecavitation phenomena during the sonochemical reactions. How-ever no significant changes in the conversion are observed whentemperature of sonication is increased from 313 to 333 K. This factconfirms some previous works in the literature [10,25] whichdescribes that a liquid sonicated at a temperature near the boilingpoint of the medium, enhanced effect is diminished or even noimportant sonochemical effect may be expected.

As expected, an increase of the reaction temperature implies anincrease of the yield of the N-alkylimidazole, keeping theselectivity 100% in all cases. High yields (between 75% and 99%)are obtained when Cs-N is employed as catalyst.

3.2.2.2. Influence of the catalyst amount. In order to study the effectof the catalyst amount, imidazole was alkylated with 1-bromo-butane using two different amounts of catalyst (0.025 and 0.050 g).The results are shown in Table 5.

In general, under ultrasound activation the conversionincreases by a factor of 1.2 when duplicates the catalyst amount.

3.2.2.3. Comparison of ultrasonic activation with thermal activation:

influence of the reaction temperature. The effect of the reactiontemperature has been studied during the alkylation of imidazolewith 1-bromobutane under ultrasonic waves and in a batchreaction system using different amounts of catalysts. As anexample, Figs. 4 and 5 show the activity of the catalyst at60 min of reaction using 0.05 g of the two series of catalysts.

The comparison evidences that the ultrasonic activationenhances N-alkylation of imidazole much better than thermalactivation at any temperature since higher conversion levels arereached at the same reaction times. The improvement of thereactivity is more drastic at low temperatures. This can beexplained due to the fact that an increase of the temperature willraise the vapor pressure of the liquid medium of the ultrasonicbath, leading to an easier cavitation but to a less violent collapse,which makes the cavitation less effective [24]. On the other hand, a

Fig. 3. Alkylation of imidazole with 1-bromobutane under sonochemical activation

with 0.025 g of catalyst after 60 min at different reaction temperatures. (A) M-N

series and (B) MM0-N series.

Table 5Alkylation of imidazole (5 mmol) with 1-bromobutane (15 mmol) under sono-

chemical activation. Influence of the catalyst amount. M-N and MM0-N series.

Reaction temperature: 293 K.

Catalyst Time (min) Conversion (%)

0.025 g 0.050 g

Na–N 15 22.2 32.4

30 27.5 39.6

60 33.7 41.8

120 60.7 70.6

Cs-N 15 40.1 44.6

30 53.6 57.3

60 70.3 78.3

120 80.4 87.3

K-N 15 24.2 32.0

30 28.9 50.1

60 40.2 63.4

120 49.1 72.2

NaK-N 15 25.3 35.6

30 30.1 53.2

60 42.6 65.6

120 50.2 74.7

NaCs-N 15 37.0 45.0

30 52.6 52.6

60 60.6 72.5

120 80.0 86.7

KCs-N 15 40.0 45.3

30 52.3 53.2

60 63.6 73.3

120 81.3 87.0

Fig. 4. Alkylation of imidazole with 1-bromobutane under sonochemical and thermal activation with 0.05 g of catalyst after 60 min at different reaction temperatures. (A) Na-

N and (B) Cs-N.


further factor to be considered is that at temperatures near boilingpoint of the ultrasonic liquid medium, a large number ofmicrobubbles are generated concurrently in it, acting as a barrierto the sound transmission. These bubbles dampen the effectiveultrasonic energy from the source that enters the reaction liquidmedium. Thus, our experimental results confirm some previousworks published in the literature [25], which describe that when aliquid is sonicated at a temperature near its boiling point,enhanced effect are diminished or even any important sonochem-ical effects may be expected.

As a final example, the evolution of the reaction undersonochemical and thermal activation at 293 and 333 K using theCs-N carbon, which is the most basic catalysts are displayed inFig. 6. It is evidenced that at lower temperatures, the differences ofactivity between ultrasound and thermal activation are higherthan at higher temperatures again because there is no sonochem-ical effect during the ultrasound activation when the temperatureis increased up to 333 K. In any case our basic carbons turned out assuitable catalysts to carry out the proposed reaction under bothconventional thermal and ultrasound activation, in short times andunder mild conditions being also able to be reused in four cycles ofreaction without important changes in the final yield of thereaction.

4. Conclusions

The effect of ultrasound waves in the activation of alkaline-promoted carbons has been explored in the alkylation of imidazolewith 1-bromobutane. It was found that there is a substantial

enhancing effect in the yield when ultrasound was used to activatethe reaction. Enhancement effect on the reaction rate bycombining the basicity of the carbon catalysts and ultrasound ispresented as an alternative method for the production of N-substituted imidazoles and, in general, for the production of otherfine chemicals due to the mild conditions that this system offers. Inspite of the large body of work dealing with sonocatalysis, only arelatively small number of papers report the influence of thereaction conditions on the rate and yields of chemical reactions. Itis well documented that, external parameters have a greatinfluence on the cavitation and, since the cavitation is necessaryto induce sonochemical reactions. It is important that thoseparameters are fine tuned and controlled, to maximize thesonochemical effects. We have found here that among all theexperimental procedures induced by heterogeneous mediaemployed in this synthesis, the combination of ultrasoundirradiation with alkaline carbons offers interesting prospectsbecause excellent yields are achieved under very mild conditions.

Acknowledgements

V.C.C. acknowledges CSIC for the award of a JAE-Doctorcontract. E.P.R. also acknowledges the grant supported by theCarabobo University (Valencia, Rep. Bolivariana Venezuela). Thiswork has been supported by Spanish Minister of Science andInnovation (project CTM2007-60577/TECNO, MAT-2006-04486 yNAN2006-27758-E) and Junta de Extremadura (GRU09027).Authors thank Prof. JLG. Fierro for the fruitful discussion of XPSdata. Pristine Norit Carbon was kindly supplied by Norit Company.

Fig. 5. Alkylation of imidazole with 1-bromobutane under thermal (A) and sonochemical (B) activation with 0.05 g of catalyst after 60 min at different reaction temperatures

for the catalysts of the MM-N series.

Fig. 6. Alkylation of imidazole with 1-bromobutane under thermal and sonochemical activation with 0.025 g of catalyst at 293 K (A) and 333 K (B) on Cs-N catalyst.


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Martın-Aranda, Catal. Today 107 (2005) 500–506.


RESULTADOS

101


102

103

5. DISCUSIÓN INTEGRADORA


104

DISCUSIÓN INTEGRADORA

105

5. DISCUSIÓN INTEGRADORA

El trabajo de investigación desarrollado en esta Tesis Doctoral consiste en la

preparación y caracterización de diferentes materiales carbonosos basados en la

estructura de un carbón activado comercial RX-1-EXTRA Norit y en el estudio de su

actividad catalítica en procesos de Química Fina. En particular, en las reacciones de

alquilación de imidazol con halogenuros de alquilo, 1-bromobutano y bromuro de

propargilo. Resaltar, que en este trabajo se emplea la sonocatálisis como método

alternativo, limpio y eficaz para la intensificación del proceso con el fin de optimizar la

síntesis de compuestos con actividad farmacológica.

5.1. SÍNTESIS DE LOS CATALIZADORES

Los materiales carbonosos se prepararon a partir de la correspondiente matriz de

carbón activado Norit comercial [90, 91], y se modificaron por intercambio iónico

preparándose dos series de catalizadores de carbones alcalinos (monometálica M-Norit

y bimetálica MM´-Norit) [92-94].

Las formas alcalinas se prepararon vía intercambio catiónico de metales

alcalinos M+ a partir de una disolución del cloruro metálico correspondiente.

Los catalizadores de las dos series así obtenidos se denominaron:

Serie monometálica: Na-Norit, K-Norit, Cs-Norit

Serie bimetálica: NaK-Norit, NaCs-Norit, KCs-Norit

5.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS CATALIZADORES

5.2.1. Textura/estructura

5.2.1.1 Medidas de pH

Los diferentes grupos superficiales presentes en un carbón activado y los

componentes inorgánicos pueden variar el pH de una disolución acuosa cuando se

ponen en contacto con ella. Como se ha indicado anteriormente, el método seguido para

las medidas de pH del carbón activado Norit de partida y de los carbones alcalinos fue


106

descrito por Rivera y Ferro [87]. Los resultados obtenidos para los catalizadores

preparados se muestran a continuación en la Tabla 6.

Se observó que en las medidas de pH en disolución acuosa obtenidas para los

distintos catalizadores, la impregnación del carbón activado Norit de partida con los

cloruros alcalinos, cambiaba ligeramente el pH de la disolución, presentando todas las

muestras analizadas un mayor carácter básico que la muestra de partida (Norit), como

era de esperar a consecuencia de la incorporación de metales alcalinos en soporte

carbonoso.

El pH del carbón Norit de partida fue de 8.0, ligeramente básico, pero a medida

que se incorporaban metales alcalinos, este valor aumentaba hasta valores de pH de

10.3 en el caso de Cs-Norit y 10.4 en el caso de KCs-Norit.

Se observó que la incorporación de dos metales de forma simultánea en las

muestras, NaK-Notit, NaCs-Norit y KCs-Norit, aumentaba el pH respecto a las

muestras con un solo metal alcalino, Na-Norit, K-Norit y Cs-Norit, como se refleja en

la Tabla 6.

Tabla 6. Valores de pH en disolución acuosa de los carbones básicos

CATALIZADOR pH

Norit 8.0

Na-Norit 8.4

K-Norit 10.1

Cs-Norit 10.4

NaK-Norit 9.8

NaCs-Norit 10.0

KCs-Norit 10.4


107

5.2.1.2 Adsorción de nitrógeno

Las isotermas de adsorción/desorción de nitrógeno características de cada

muestra se exponen a continuación en las Figuras 13 y 14. A partir de estos datos y

empleando el método de Brunauer, Emmet y Teller (método BET) se calcularon el área

superficial específica SBET y el diámetro medio de poro (Dp) de cada uno de los

catalizadores sólidos preparados y el volumen de microporos y mesoporos fue calculado

empleando el método de Barrett, Joyger y Halenda (BJH). Todos estos resultados se

muestran en la Tabla 7.

El tratamiento por intercambio iónico con metales alcalinos del carbón de

partida Norit no alteraba de forma importante las características texturales de este

substrato, como queda reflejado en las isotermas de adsorción características de cada

muestra que presentan un mismo perfil (Figuras 13 y 14). De esta manera, los carbones

preparados no mostraban un cambio significativo en los valores texturales, área

superficial, diámetro medio de poro y volumen de microporo/mesoporo, respecto al

carbón Norit de partida. El área superficial de los carbones activados tratados mostraba

un ligero descenso mientras que el porcentaje de microporos aumentaba ligeramente

(Tabla 7).

Figura 13. Isoterma de adsorción-desorción de nitrógeno del carbón activado de

partida RX-1-EXTRA-Norit


108

Figura 14. Isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno de los catalizadores Na-

Norit, Cs-Norit y NaCs-Norit

Tabla 7. Medidas del área superficial BET y distribución de volumen de poros

obtenidos por adsorción de nitrógeno para el carbón Norit de partida y los carbones

básicos

Carbones SBET

(m2/g) Vmicroporo

(cm3/g) Vmesoporo (cm3/g)

Vtot

(cm3/g)

Norit 1450 0.467 (81.8 %)

0.094 (16.5 %)

0.571

Na-Norit 1375 0.440 (77.2 %)

0.111 (19.5 %)

0.570

Cs-Norit 1447 0.460 (84.7 %)

0.074 (13.6 %)

0.543

NaK-Norit 1415 0.455 (74.8 %)

0.135 (22.2 %)

0.608

NaCs-Norit 1338 0.434 (78.2 %)

0.104 (18.7 %)

0.555

KCs-Norit 1416 0.463 (80.9 %)

0.095 (16.6 %)

0.572

Los valores entre paréntesis indican el porcentaje de cada tipo de poro en el carbón. (Microporo:∅< 20 Å; mesoporo: 20Å<∅<500 Å. Vtot: Volumen adsorbido por los poros ∅< 2000 Å


109

Según la clasificación establecida por la IUPAC, las isotermas de fisisorción

obtenidas para los catalizadores carbonosos preparados en este trabajo, son isotermas

del tipo I. Estas isotermas son características de sólidos microporosos con superficies

externas relativamente pequeñas como las correspondientes a los carbones activados.

Estas se caracterizan por una fuerte adsorción a valores de p/p0 próximos a 0 y una

meseta de suave pendiente hasta p/p0=1 como se puede apreciar en las Figuras 12 y 13.

Las isotermas tipo I se pueden subclasificar en isotermas de tipo Ia y Ib siendo en

concreto las isotermas tipo Ib características de carbones activados con un plateau casi

horizontal. Esto es debido a que la adsorción de nitrógeno crece relativamente poco

cuando p/p0 aumenta, a causa de la menor cantidad de mesoporos presentes. Aunque los

carbones activados se caracterizan fundamentalmente por su microporosidad, resulta

también interesante el estudio de su estructura no microporosa ya que ésta es la que

permite el acceso de los distintos adsortivos al interior de los microporos.

5.2.1.3 Adsorción de dióxido de carbono

Hay que resaltar que la principal característica de un carbón activado, además de

su elevada área superficial, es su microporosidad. Aunque la adsorción de nitrógeno a

77 K es una de las técnicas más empleada en la caracterización de sólidos porosos,

presenta una desventaja cuando se trata de caracterizar sólidos microporosos con

microporosidad estrecha debido a la existencia de problemas difusionales. Los carbones

activados empleados en este trabajo son sólidos microporosos por lo que también se ha

empleado la técnica de adsorción de CO2 a 273 K hasta presiones de 0.1 MPa para

poder analizar el mismo rango de porosidad que con nitrógeno a 77 K sin los

inconvenientes que pueda presentar esta última técnica (Tabla 8). Aunque ambos gases,

N2 y CO2 poseen dimensiones relativamente parecidas (0.36 y 0.33 nm de diámetro

cinético, respectivamente) la gran diferencia en la temperatura de adsorción de ambos

adsorbatos (N2, 77 K y CO2, 273 K) se manifiesta en sus isotermas de adsorción. El CO2

presenta una cinética de adsorción más rápida en poros estrechos que tienen

dimensiones parecidas a estas dos moléculas (microporosidad estrecha). Por este

motivo, la adsorción de CO2 permite medir la porosidad estrecha, mientras que el uso de

nitrógeno permite calcular el volumen total de microporos.


110

Tabla 8. Medidas del área microporosa y volumen de microporos del carbón activado

Norit de partida y de algunos de los catalizadores alcalino-Norit obtenidas por adsorción

de CO2 a 273K

*Cálculos obtenidos aplicando la ecuación de Dubinin Radushkevich (D-R) y la ecuación deDubinin-Astakhov (D-A) a los datos obtenidos por adsorción de CO2.

5.2.1.4 Análisis térmico (TG-DTG-MS)

Para estudiar la estabilidad térmica del soporte de partida y de los catalizadores

preparados alcalino-Norit (M-Norit y MM´-Norit), se realizó un análisis

termogravimétrico (TG) y un análisis térmico diferencial (DTG) en atmósfera inerte

(He, 100 cm3/min) desde temperatura ambiente hasta 1000 ºC a una rampa de

calentamiento de 1 ºC/min. El equipo de análisis térmico fue acoplado a un

espectrómetro de masas (TG-DTG-MS) registrándose cualitativa y cuantitativamente

los gases que eran desprendidos durante el análisis de cada una de las muestras.

Todos los termogramas y espectros de masas obtenidos para todos los carbones

alcalinos, y soporte de partida Norit, presentaban un perfil similar cuando eran

sometidos a un proceso de calentamiento en atmósfera inerte. Los catalizadores M-

Norit, mostraban una mayor pérdida de peso que el soporte de partida Norit (Ej. Norit,

6.94 %; Na-Norit, 8.85 %; Cs-Norit, 8.01 %; NaCs-Norit, 8.40 %) si se tiene en cuenta

la descomposición de los nuevos grupos superficiales oxigenados que se habrían

formado durante la manipulación de las muestras como consecuencia de la re-oxidación

de la superficie del carbón, así como las especies óxido o carbonato que los metales

alcalinos habrían formado en la estructura del carbón después de la impregnación.

Catalizador Smicroporosa(D-R)*

(m2/g)

Vmicroporo(D-R)*

(cm3/g)

Smicroporosa(D-A)*

(m2/g)

Vmicroporo(D-A)*

(cm3/g)

Norit 554 0.201 683 0.272

Na- Norit 300 0.109 255 0.092

Cs- Norit 370 0.135 363 0.135

NaCs- Norit 460 0.167 508 0.192


111

Los resultados obtenidos mostraban que las pérdidas de peso que se producían

para temperaturas por debajo de los 500 ºC aproximadamente, se podían atribuir

principalmente a dióxido de carbono y agua. Las pérdidas de peso en forma de H2O se

debían normalmente al agua adsorbida superficialmente durante la manipulación de las

muestras, o si esta pérdida se producía a temperaturas superiores a los 100 ºC suele estar

relacionada con la deshidratación de grupos alcohólicos o fenólicos de la superficie del

carbón. En los termogramas obtenidos para las muestras, se podían observar por debajo

de los 100 ºC las pérdidas de peso debidas a CO2 y H2O ocluidos en la estructura porosa

del carbón. Los grupos superficiales oxigenados más sensibles se perdían a

temperaturas inferiores a los 300 ºC aproximadamente incluyéndose aquí los grupos

ácidos tipo carboxilo, lactona y anhídrido.

Las pérdidas de peso que se producían a temperaturas a partir de los 700 ºC

aproximadamente, se podían atribuir a la pérdida de grupos superficiales oxigenados

débilmente ácidos, neutros o básicos como tipo éter, fenol, carbonilo, quinona, pirona y

también a la ruptura de la estructura molecular del carbón por la expulsión de gases tipo

hidrógeno, dióxido de carbono e hidrocarburos. A partir de los 1000 ºC

aproximadamente se podía decir que prácticamente todos los grupos superficiales

oxigenados se habían descompuesto.

Los resultados obtenidos por análisis termogravimétrico de las muestras

calcinadas en corriente de aire (100 cm3/min) a 1000 ºC se muestran en la Tabla 9. La

muestra de carbón Norit de partida presentaba un contenido en cenizas del 3.1 %

aumentado el contenido en cenizas para lo carbones alcalinos monometálicos y

bimetálicos. Por diferencia entre el contenido de cenizas de los carbones impregnados y

del carbón de partida sin tratar, se calculaban los porcentajes correspondientes de la

cantidad de óxido alcalino presente en cada muestra y a partir de este se determinaba el

contenido del metal alcalino correspondiente en cada catalizador.


112

Tabla 9. Análisis termogravimétrico del carbón Norit de partida y los carbones

alcalinos monometálicos y bimetálicos

Carbón Cenizas % M2O Metal

(at-g/100g cat.)

Norit 3.1 --- ---

Na-Norit 4.8 1.7 0.055

Cs-Norit 5.5 2.4 0.017

K-Norit 5.1 2.0 0.035

NaK-Norit 5.2 1.9 ---

NaCs-Norit 5.3 2.2 ---

KCs-Norit 4.4 1.3 ---

5.2.1.5 Espectroscopia de absorción atómica. Análisis elemental

El contenido en carbono, hidrógeno y nitrógeno del carbón activado Norit de

partida y de los catalizadores de carbón alcalino-Norit preparados, se determinó por

análisis elemental empleando la técnica de espectroscópica de absorción atómica. Los

resultados obtenidos se muestran en la Tabla 10. A partir de estos datos y conociendo el

contenido en cenizas de las muestras por análisis térmico (Tabla 9), se determinó por

diferencia el contenido en oxígeno de cada muestra.

En general, el porcentaje en oxígeno aumentaba ligeramente para las muestras

de carbón tratadas respecto al carbón Norit de partida. Este aumento era debido a la

presencia de un mayor número de grupos superficiales oxigenados en la estructura

carbonosa de las muestras preparadas como consecuencia de la re-oxidación de su

superficie durante su manipulación.


113

Tabla 10. Análisis elemental por absorción atómica de algunos carbones básicos

Catalizador %C %H %N %O

Norit 90.50 0.38 0.45 4.37

Na- Norit 88.82 0.52 0.45 5.11

Cs- Norit 87.94 0.60 0.47 5.79

NaCs- Norit 89.12 0.50 0.46 4.52

5.2.1.6 Espectroscopia Fotoelectrónica de Rayos X (XPS)

Para conocer mejor el estado químico y la dispersión relativa de los metales

alcalinos depositados en la superficie del carbón de los catalizadores preparados, se

empleó la técnica de espectroscopía Fotoelectrónica de Rayos X (XPS). Para cada uno

de los catalizadores preparados y para el carbón Norit de partida, se registraron las

energías de ligadura de los niveles C1s, O1s y del nivel interno característico del

elemento alcalino o alcalinotérreo correspondiente a cada catalizador. Estos datos se

muestran en la Tabla 11 junto con la relación atómica Metal/Carbón (MC).

De forma general para todas las muestras, el nivel C1s presenta tres picos, uno a

284.5 eV que tiene su origen en los enlaces >C=C< de la propia estructura del carbón o

en especies -CH- no funcionalizadas que aún conservan átomos de hidrógeno y cuyo

desplazamiento químico con respecto al de los enlaces >C=C< es tan pequeño que el

instrumento no puede diferenciarlo. El segundo pico a aproximadamente 285.9 eV con

una contribución del 25-39% del área total, estaría asignado a especies C-O y el tercer

pico a 288.0 eV de intensidad más baja, correspondería a grupos funcionales

conteniendo especies >C=O.

Los valores de energías de ligadura del nivel O1s proporcionaban información

de la naturaleza de los grupos superficiales de oxígeno presentes en la superficie

carbonosa de las muestras. En el nivel O1s se encontraban dos picos, uno próximo a 531

eV con origen en especies tipo C=O (grupos carboxilo y lactona) del soporte carbonoso

y otro pico próximo a 533 eV debido a especies del tipo C-O- (fenol o grupo éter) de la

propia estructura del carbón y posibles especies tipo óxido formadas al interaccionar las

especies alcalinas o alcalinotérreas con los grupos superficiales oxigenados presentes en


114

la estructura del carbón. En la Tabla 11 se puede observar como el porcentaje

correspondiente a este pico aumentaba con respecto al del Norit de partida para las

muestras alcalino-Norit confirmando la formación de especies del tipo óxido en los

carbones tratados. Además las energías de ligadura de los electrones internos de los

átomos alcalinos se ajustaban a las de especies tipo óxido aunque por la proximidad de

las energías de ligadura de las especies tipo carbonato no se podía descartar una

pequeña proporción de estas últimas. Estas especies tipo carbonato tendrían su origen en

la formación de grupos metal alcalino/alcalinotérreo-oxigeno que se habrían formado al

interaccionar los cationes metálicos con los grupos superficiales oxigenados de la

superficie del carbón y que se habrían oxidado durante la manipulación de las muestras.

En la Tabla 11, se muestra también la relación Ototal/Ctotal que indicaba el grado de

oxidación de las superficies de las muestras. Si se observan estos valores existe un

aumento en el contenido de oxígeno en los carbones tratados lo que confirmaba la

aparición de nuevos grupos oxigenados en la superficie de las muestras (grupos

superficiales oxigenados de la estructura del carbón y especies óxido y/o carbonato

alcalinas).

También se llevó a cabo el cálculo de la concentración en la región superficial

de los elementos alcalinos incorporados en el carbón activado Norit para la preparación

de las muestras alcalino-Norit. Para ello, se midieron las intensidades de los picos

corregidos por los factores atómicos de sensibilidad. En la Tabla 11 se puede observar

como la relación M/C no era elevada (0.0001-0.050). Durante el proceso de adsorción-

impregnación los cationes alcalinos M+ interaccionarían por fuerzas electrostáticas con

los grupos superficiales presentes en la superficie del carbón. Sin embargo, a la hora de

acceder a centros localizados en los microporos del sustrato y por razones de

impedimento estérico, dos variables importantes como son radio iónico y carga del

catión entraban en juego (capacidad de polarización carga/radio). A medida que

aumentara la relación carga/radio del catión implicado la barrera difusional que tendrán

que vencer para acceder al interior de los microporos sería superior tendiendo por lo

tanto a quedarse en la superficie. Para la muestra Na-Norit, no fue posible detectar la

presencia del catión Na+ en la superficie del carbón mediante este estudio ya que su baja

relación carga/radio le permitía acceder al interior de la estructura porosa del carbón y

su pequeño radio adentrarse en la profundidad de los microporos. Y para la muestra Cs-

Norit, pese a su menor relación carga/radio que Na+, se pudo detectar su presencia en la


115

superficie debido a que encontraba una mayor dificultad a la hora de acceder a los

microporos por su mayor radio. Estos datos fueron contrastados con los obtenidos por

análisis térmico y medidas de área superficial.

Tabla 11. Energías de ligadura (eV) de electrones internos y relaciones atómicas

superficiales del carbón de partida Norit y de los carbones alcalinos monometálicos y

bimetálicos

Relación atómica M/C

Catalizador C 1s O 1s M (BE) Na Cs K

Norit 284.9 (57) 531.2 (29) 286.4 (23) 532.5 (41) 288.9 (7) 533.9 (19) - - 290.6 (6) 535.2 (11) 292.5 (7)

Na-Norit 284.9 (57) 286.2 (15) 530.9 (44) 1072.5a 0.0050 287.5 (15) 532.7 (56)

K-Norit 289.4 (13) 284.9 (70) 531.0 (24) 293.0c 0.0030 286.8 (30) 532.8 (51)

534.5 (25)

Cs-Norit 284.9 (59) 0.0027 286.5 (20) 530.9 (47) 723.9 b 288.1 (10) 532.6 (53) 289.7 (11)

NaK-Norit 284.9 (74) 531.4 (25) 1071.2a; 292.9c

0.0002 0.0005

286.6 (20) 533.0 (44) 288.3 (6) 534.8 (28)

NaCs-Norit 284.9 (73) 531.4 (27) 1071.2a; 723.9 b

0.0001 0.0001

286.6 (18) 533.0 (45) 288.3 (9) 534.8 (28)

KCs-Norit 284.9 (74) 531.4 (25) 292.8c; 723.9b

0.0001 0.0006

286.6 (18) 533.0 (47) 288.3 (8) 534.8 (28)

Los valores en paréntesis indican el porcentaje de cada pico. a Na 1s; b Cs 3d5/2.;

c K 2p3/2.


116

5.3. ACTIVIDAD CATALÍTICA

Una vez caracterizados los carbones, la actividad catalítica de los sólidos se

investigó en reacciones de alquilación de imidazol con 1-bromobutano y con bromuro

de propargilo [92-94].

5.3.1 Reacción de alquilación de imidazol

Los heterociclos nitrogenados son compuestos orgánicos en los que uno o más

carbonos del anillo han sido reemplazados por átomos de nitrógeno. El trabajo de

investigación de esta tesis se ha centrado en la reactividad presentada por el imidazol en

reacciones de alquilación con haluros de alquilo en medio básico catalizadas por

carbones alcalinos.

Formalmente, el imidazol está relacionado con el pirrol, aunque presenta una

mayor estabilidad frente a ataques de oxidación y reducción, así como a ataques ácidos.

El imidazol es más básico que el pirrol (pKa= 3.6) y que la piridina (pKa= 5.2), ya que

posee un pKa= 7.0 [95]. Al igual que los 1,3-azoles, tiazol y oxoazol, el imidazol es

miscible con el agua. Además de actuar como base moderadamente fuerte [96] puede

actuar como ácido débil, con un pKa = 14.5, mediante el siguiente equilibrio de

transferencia protónica (Figura 15).

Figura 15. Imidazol, equilibrio de transferencia protónica


117

5.3.1.1 Reacciones de alquilación con 1-bromobutano: mecanismo

Después de lo expuesto anteriormente, las reacciones de alquilación son posibles

en la posición N- del heterociclo imidazólico. El imidazol reacciona rápidamente con

haluros de alquilo en ausencia de bases fuertes dando lugar a la formación de sales

cuaternarias que rápidamente se desprotonan y forman los N-alquilimidazoles, que

posteriormente pueden también reaccionar con otra molécula de haluro de alquilo

formándose las sales 1,3-dialquilimidazólicas. Sin embargo, esto no ocurre en presencia

de bases fuertes donde el ataque electrófilo al átomo de nitrógeno en posición 3, con un

par de electrones libres, es seguido por la pérdida del hidrógeno del grupo NH en

posición 1 dando lugar a los N-alquilimidazoles (Figura 16). En medio ácido, la

reacción de alquilación también es posible, pudiendo conducir a imidazoles sustituidos

en el carbono en posición 2 (entre los dos átomos de nitrógeno) o alquilados en la

posición N [44,97,98].

Figura 16. Mecanismo de reacción en la alquilación de imidazol en medio básico

En el presente trabajo de investigación los carbones básicos empleados como

catalizadores condujeron a la obtención de N-alquilimidazol como único producto. La

Figura 17 muestra la reacción de alquilación de imidazol con 1-bromobutano en medio

básico.

Figura 17. Alquilación de imidazol con 1-bromobutano

N

NH

+ BrN

N

basic carbonCarbón Carbón

Básico + HBr


118

5.3.1.2 Reacción de alquilación en reactor discontinuo

La reacción de alquilación de imidazol (5mmol) con 1-bromobutano (15 mmol)

se llevó a cabo a distintas temperaturas (293, 313 y 333 K) utilizando como

catalizadores las dos series de carbones alcalinos monometálicos y bimetálicos (M-N y

MM´-N).

Para descartar la presencia de control difusional en la reacción, antes de abordar

el estudio sistemático de todos los catalizadores se realizaron los siguientes

experimentos. En primer lugar, se seleccionaron varias velocidades de agitación (500,

700 y 1500 rpm) y varios tamaños de partícula (0.100, 0.140 y 0.250 mm) y se llevó a

cabo la reacción objeto de estudio sobre los catalizadores Cs-Norit y NaCs-Norit

respectivamente a 333 K durante dos horas. En todos los casos se obtuvieron

conversiones análogas, concluyéndose que no existía control por difusión externa ni

interna empleando los carbones básicos como catalizadores en reactor discontinuo

(batch). También se llevaron a cabo las correspondientes reacciones blanco, es decir, en

ausencia de catalizador pudiéndose observar que en esas condiciones la reacción no

tenía lugar.

- Efecto del catión de cambio

Para estudiar este efecto se llevó a cabo la reacción de alquilación de imidazol

con 1-Bromobutano a 333 K utilizando catalizadores de carbón alcalinos de ambas

series M-Norit y MM´-Norit (Na-Norit, Cs-Norit y NaCs-Norit) (Figura 18). De los

resultados mostrados en la Figura 18 pudimos deducir el siguiente orden de actividad

catalítica:

- Monometálicos M-Norit: Na-Norit < Cs-Norit

- Bimetálicos MM´-Norit: NaK-Norit < NaCs-Norit < KCs-Norit

Comparando ambas series de catalizadores, podíamos ver que el orden de

actividad era el siguiente:

Na-Norit < NaK-Norit < NaCs-Norit < KCs-Norit ≈ Cs-Norit


119

Figura 18. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (15 mmol) en

presencia de carbones alcalinos como catalizadores: (A) serie M-Norit y (B) serie MM´-

Norit

Es decir, a pesar de que en principio cabría esperar un posible efecto sinérgico

en la serie MM´-Norit que acentuara la basicidad de los catalizadores aumentando su

actividad catalítica en la reacción estudiada esto no ocurrió así. Los resultados obtenidos

mostraron que el catalizador más activo era aquel que contenía exclusivamente un solo

metal de cambio (serie M-Norit), y en particular aquel que contenía cesio (Cs-Norit),

aunque su actividad era comparable con la del catalizador bimetálico KCs-Norit de la

serie MM´-Norit. El carbón Cs-Norit resultó ser aproximadamente 1.5 veces más activo

que el carbón Na-Norit, obteniéndose conversiones del 75 % en tan solo 120 minutos de

reacción cuando se utilizaba Cs-Norit como catalizador. Conversiones del 70 % se

obtenían al mismo tiempo si se utilizaban KCs-Norit o NaCs-Norit como catalizadores.

Así, la presencia de dos metales alcalinos diferentes en el carbón (carbones MM´-Norit)

no parecía influir de forma significativa en su actividad catalítica.

A la vista de los primeros resultados se pudo apreciar cómo el efecto del tipo de

catión de cambio resultaba decisivo para definir el grado de basicidad de los

catalizadores y como la reactividad del anillo imidazólico variaba ligeramente según la

basicidad de los catalizadores empleados. Este mismo orden de actividad fue observado


120

en la reacción de Knoevenagel que como ha sido estudiada en nuestro laboratorio, es

una reacción modelo de gran utilidad para estimar la fuerza de centros básicos y ácido-

básicos de un amplio número de catalizadores sólidos (carbones, arcillas, zeolitas,

óxidos etc.) [99,107].

- Efecto de la temperatura de reacción

Para evaluar el efecto que ejerce la temperatura sobre la reacción en estudio, se

seleccionaron tres temperaturas diferentes: 293, 313 y 333 K empleando las dos series

de catalizadores sintetizados durante un tiempo total de dos horas. A modo de ejemplo

se presentan los valores obtenidos para los catalizadores Na-Norit y NaCs-Norit

(Figura 19).

Figura 19. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (15 mmol)

usando como catalizadores Na-Norit (0.025 g) (A) y NaCs-Norit (0.025 g) (B)

En la Figura 19 pudimos ver que, a los 15 minutos de reacción, las conversiones

a 293, 313 y 333 K eran similares y que conforme iba aumentando el tiempo de

reacción, las diferencias entre los valores de conversión eran mayores. Es evidente que

un aumento de la temperatura de reacción implica un aumento en el rendimiento de la

reacción. Hay que destacar el hecho de que la selectividad era siempre del 100 % en

todos los casos, obteniéndose N-butilimidazol como único producto de reacción para

todas las temperaturas.


121

- Efecto de la cantidad de catalizador

El estudio de la influencia de la cantidad de catalizador sobre el rendimiento de

la reacción se realizó empleando dos cantidades de catalizador diferentes, 0.025 g y

0.050 g respectivamente, para todos y cada uno de los catalizadores. A modo de

ejemplo, se muestra en la Figura 20, los valores de conversión alcanzados cuando se

utilizaron Na-Norit y NaCs-Norit como catalizadores a 333 K.

Figura 20. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (15 mmol) a 333 K

usando diferentes cantidades de catalizador (0.025 y 0.050 g). (A), Na-Norit y (B),

NaCs-Norit

En todos los casos se pudo observar que, como era de esperar, un aumento en la

cantidad del catalizador, suponía un aumento en la conversión sobre todo a largos

tiempos de reacción. No obstante, se apreciaba que este aumento no era lineal, es decir,

el duplicar la cantidad de catalizador no suponía que la conversión también se duplicara.

Una posible explicación a este hecho es la gran actividad que presentan todos los

catalizadores desde el comienzo de la reacción.


122

5.3.1.3 Reacción de alquilación en baño de ultrasonidos

Como se indicó en la introducción de esta memoria de tesis doctoral, el empleo

de radiación ultrasónica para la activación de reacciones químicas, se ha convertido en

los últimos años en un campo importante para la catálisis. La activación ultrasónica

potencia de modo significativo la catálisis y de forma particular, ante la presencia de

sólidos. Es por ello que la combinación de catalizadores sólidos, como los carbones

alcalinos propuestos en este trabajo de Tesis Doctoral, y la activación ultrasónica nos

pareció un tema interesante objeto de estudio.

Para realizar un estudio comparativo completo entre la activación térmica

convencional comentada en apartados anteriores y la activación ultrasónica, se llevaron

a cabo las mismas reacciones presentadas en los anteriores apartados utilizando un baño

de ultrasonidos provisto de control de temperatura. De esta manera, las reacciones se

realizaron a tres temperaturas de reacción diferentes (293, 313 y 333 K), utilizando dos

cantidades de catalizador (0,025 y 0,050 g) y empleando las dos series de catalizadores

de carbón monometálicos y bimetálicos (M-Norit y MM´-Norit), todo ello al igual que

bajo activación térmica convencional (batch) en ausencia de disolvente. Los resultados

obtenidos se presentan en las Tablas 12 y 13.

A partir de estos resultados se concluyó que se mantenían las mismas tendencias

en el orden de reacción que bajo activación térmica convencional, es decir, la actividad

de los catalizadores aumentaba conforme lo hacía la temperatura y la cantidad de

catalizador, siendo el orden de actividad para cada serie el siguiente:

- Monometálicos M-Norit: Na-Norit < Cs-Norit

- Bimetálicos MM´-Norit: NaK-Norit < NaCs-Norit ≈ KCs-Norit

Además, al igual que bajo activación térmica convencional, el catalizador más

activo resultó ser Cs-Norit, también con una actividad semejante a la observada para el

catalizador KCs-Norit de la serie MM´-Notit.


123


activación ultrasónica. Serie de catalizadores M-Norit

Cat. t (min) 293 K 313 K 333 K

0.025 g 0.050 g 0.025 g 0.050 g 0.025 g 0.050 g

Na-Norit

15 22.2 32.4 34.5 44.6 50.1 57.4 30 27.5 39.6 49.8 53.6 64.1 81.0 60 33.7 41.8 73.2 74.6 76.9 87.1

120 60.7 70.6 83.1 91.0 92.0 96.0

Cs-Norit

15 40.1 44.6 48.4 57.4 56.3 69.7 30 53.6 57.3 58.2 63.6 70.1 79.8 60 70.3 78.3 77.3 80.4 83.1 87.7

120 80.4 87.3 89.9 89.6 98.0 99.5


activación por ultrasonidos. Serie de catalizadores MM´-Norit

Cat. t

(min) 293 K 313 K 333 K

0.025 g 0.050 g 0.025 g 0.050 g 0.025 g 0.050 g

NaK-Norit

15 25.3 35.6 36.3 46.2 50.3 53.9 30 30.1 53.2 55.6 60.3 65.1 69.5 60 42.6 65.6 70.3 73.2 75.0 80.9

120 50.2 74.7 86.3 88.3 88.3 88.8

NaCs-Norit

15 37.0 45.0 45.6 55.9 56.3 69.5 30 52.6 52.6 58.3 63.2 70.9 76.3 60 60.6 72.5 74.1 82.6 79.6 80.9

120 80.0 86.7 88.3 89.2 90.3 93.5

KCs-Norit

15 40.0 45.3 45.3 56.3 56.9 63.6 30 52.3 53.2 59.2 63.9 71.3 71.9 60 63.6 73.3 75.7 83.4 80.2 82.7

120 81.3 87.0 88.6 89.6 91.7 93.2


124

5.3.1.4 Activación térmica convencional frente a activación ultrasónica

Se llevó a cabo un estudio comparativo entre activación térmica convencional

(batch) y activación ultrasónica para la reacción de alquilación de imidazol con 1-

bromobutano.

Como se comentó anteriormente, la activación ultrasónica de reacciones

orgánicas en presencia de catalizadores heterogéneos potencia de forma considerable su

reactividad cuando se compara con los medios de reacción tradicionales. Sin embargo,

resulta novedoso si el catalizador que se utiliza para estas reacciones activadas

ultrasónicamente es un carbón activado. En las Figuras 21 y 22 muestran los resultados

obtenidos bajo activación ultrasónica y bajo activación térmica convencional utilizando

los catalizadores de carbón monometálicos y bimetálicos en el rango de temperaturas,

293-333 K, utilizando 0.050 g de catalizador, observándose que en todos los casos bajo

activación ultrasónica se obtenían mejores valores de conversión hacia el producto

deseado N-butilimidazol, manteniéndose la selectividad máxima (100 %).



ultrasonidos usando 0.050 g de catalizador monometálico (M-Norit) a diferentes

temperaturas. (A), Na-Norit y (B), Cs-Norit. Tiempo de reacción: 60 min


125



ultrasonidos usando 0.05 g de catalizador bimetálico (MM´-Norit) a diferentes

temperaturas. Tiempo de reacción: 60 min

Para ver en detalle la evolución de la conversión con el tiempo es este estudio

comparativo térmico convencional versus ultrasonidos, en la Figura 23 se representa la

reacción de alquilación catalizada por el catalizador que resultó más activo, el Cs-Norit.

A temperatura más baja (293K), las diferencias de conversión entre la activación

térmica y ultrasónica son mayores que a mayor temperatura (333K). Esto pone de

manifiesto que el efecto de la cavitación es máximo a temperaturas bajas, como se

comentó en la introducción de este trabajo. Así, para la reacción a 293 K a tiempos de

reacción cortos se aprecia que bajo activación por ultrasonidos la reactividad es 5 veces

mayor que bajo activación térmica convencional mientras que a temperaturas mayores,

333 K, a tiempos cortos la reactividad bajo activación por ultrasonidos es 3 veces mayor

que bajo activación térmica convencional. Esta diferencia de reactividad va

disminuyendo a lo largo de las dos horas de reacción con ambos métodos de activación

a medida que aumenta la temperatura.


126

Figura 23. Alquilación de imidazol (5 mmol) con 1-bromobutano (5 mmol) bajo

activación térmica convencional y bajo activación ultrasónica usando 0.025 g de Cs-

Norit como catalizador a 293 K (A) y 333 K (B)

5.3.1.5 Estudio cinético y mecanismo de la reacción de alquilación de imidazol

con 1-bromobutano

La cinética estudia la velocidad a la que se producen las reacciones químicas es

decir, el modo en el que la concentración de las especies moleculares de dicha reacción

varía en función del tiempo. Además, el modo exacto en el que las velocidades de

reacción varían en función del tiempo depende del mecanismo de dicha reacción

química, sin olvidar también de las concentraciones de los reactivos utilizadas. Por todo

ello, los estudios cinéticos resultan útiles para probar los mecanismos de reacción

propuestos.

Las ecuaciones de velocidad de las reacciones químicas muestran cómo varía la

concentración de un componente determinado con respecto al tiempo como función

matemática de una constante de velocidad o constante cinética (k), así como de las

concentraciones de cada componente que interviene en la reacción. Considerando el

mecanismo propuesto para la reacción de N-Alquilación de imidazol con haluros de

alquilo (Figura 24) en el que la etapa controlante de la reacción es el ataque del anión


127

imidazólico al haluro de alquilo, la ecuación de velocidad correspondiente sería una

ecuación de segundo grado:

-d[imidazol]/dt = -d[1-bromobutano]/dt= k[imidazol][1-bromobutano]

Figura 24. Mecanismo para la reacción de N-Alquilación de imidazol con haluros de

alquilo en presencia de carbones básicos como catalizadores

Teniendo en cuenta que uno de los reactivos se encuentra en exceso con respecto

al otro, [1-bromobutano] >> [imidazol], la concentración de 1-bromobutano no

presentará un cambio significativo durante la reacción y, en consecuencia, la ecuación

cinética de segundo orden se puede abreviar de la siguiente forma;

-d[imidazol]/dt= k[1-bromobutano] t=0 [imidazol]= k´ [imidazol]

siendo k´ la pseudo constante de reacción con un valor k´ =k[1-bromobutano] t=0 que

sustituyendo quedaría la siguiente ecuación cinética:

ln[imidazol] = -k´t + ln[imidazol]t=0

ln [A0(1-x)] = - k´t + ln[A0]

donde A0 es la concentración inicial de imidazol y A0(1-x) es la concentración de

imidazol a un tiempo t, que no ha reaccionado. Cuando representamos los datos

cinéticos experimentales como ln[imidazol] frente al tiempo (rango treacción = 0-60

minutos, coeficiente de correlación lineal r=0.999) (Figura 25), observamos que la

aproximación era lineal y que por lo tanto, la reacción propuesta era de pseudo-primer

R-XCARBÓN

NH

N N

N

H+

CARBÓN

N

N

R

CARBÓN

N

NH

+CARBÓN

+

+ +

HX +

-

-


128

orden con una pendiente igual a -k[1-bromobutano]t=0. Además, como el producto se

forma a medida que desaparece el reactivo, la concentración del producto N-

butilimidazol, aumenta exponencialmente.

Figura 25. Cinética de pseudo primer orden para la reacción de N-Alquilación de

imidazol con 1-bromobutano. Condiciones de reacción para este experimento mostrado

en el gráfico: imidazol (5 mmol), 1-bromobutano (15 mmol), catalizador Na-Norit

(0.025 g), temperatura de reacción: 313 K

En la Tabla 14 se muestran los valores de las constantes cinéticas para la

reacción de alquilación de imidazol con 1-bromobutano a tres temperaturas de reacción

diferentes bajo activación térmica convencional y bajo activación por ultrasonidos.

Como se puede observar en los resultados mostrados en esta tabla, los valores de las

constantes cinéticas son diferentes dependiendo del tipo de catalizador empleado y del

método de activación empleado. A partir de esto resultados pudimos concluir que el

catalizador Na-Norit resultó ser aproximadamente la mitad de activo que los

catalizadores que contienen cesio, Cs-, NaCs- y KCs-Norit y ligeramente menos activo

que el bimetálico de sodio conteniendo potasio, NaK-Norit. De forma general las

constantes cinéticas bajo ambos métodos de activación seguían el siguiente orden de

reacción decreciente: Cs-Norit > KCs-Norit > NaCs-Norit > NaK-Norit > K-Norit > Na-

Norit.

Cinética exponencial

-4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo (min)

ln[c

onc]

ln[Imidazol]

ln [1-(N-butil)imidazol]


129

Bajo las condiciones de reacción empleadas en estos experimentos, comentamos

previamente que la reacción no estuvo controlada en ningún momento por fenómenos

de difusión externa e interna. A partir de este estudio cinético y empleando la ecuación

de Arrhenius, calculamos las energías de activación de cada proceso, resultando ser en

todos los casos superiores a 20 KJ/mol, lo que corroboraba que tanto bajo activación

térmica convencional como ultrasónica la velocidad de reacción no estaba limitada por

problemas de difusión en los poros ni controlada químicamente para ninguno de los

catalizadores alcalinos.

Tabla 14. Constantes cinéticas para la reacción de N-Alquilación de imidazol con 1-

bromobutano bajo activación térmica convencional (batch) y bajo activación por

ultrasonidos en presencia de los catalizadores de carbón alcalinos

* t reacción=0 - 120 min

La alquilación de heterociclos nitrogenados es una reacción de gran interés

industrial pues se trata de una ruta de síntesis muy importante para la obtención de

productos de alto valor añadido. Cuando la alquilación del anillo imidazólico se produce

en el nitrógeno, los compuestos obtenidos son fármacos con propiedades antivirales

como es el caso de famcyclovir y acyclovir [54-59]. Actualmente en la industria se

CATALIZADOR T (K)

BATCH*

k·104 (M-1 s-1g-1cat)

ULTRASONIDOS*

k·104 (M-1 s-1g-1cat)

Na-Norit 293 313 333

0.82 2.00 2.78

3.65 9.85 15.3

Cs-Norit 293 313 333

2.28 4.36 5.11

7.48 8.61 18.7

NaCs-Norit 293 313 333

2.22 3.10 4.79

7.18 7.80 8.77

K-Norit 293 313 333

1.68 2.11 3.53

4.37 8.57 8.87

KCs-Norit 293 313 333

2.36 4.32 4.89

7.27 7.95 9.10

NaK-Norit 293 313 333

1.83 2.26 3.06

4.80 7.52 8.99


130

usan, para su síntesis, medios homogéneos de reacción o condiciones de transferencia

de fase. La incorporación de medios heterogéneos de activación como es el caso de los

carbones activados alcalino, o incluso, nuevos métodos de activación para la

intensificación de procesos, como los ultrasonidos, puede aportar interesantes beneficios

en las industrias de Química Fina, no sólo desde el punto de vista de contaminación

ambiental, disminución en la obtención de productos secundarios, sino también respecto

al ahorro energético y facilidad de operación. Por ello, todos los resultados a escala de

laboratorio presentados en esta memoria, pueden ser el punto de arranque de todo un

proceso de escalado en las industrias de Química Fina. Además, tanto los catalizadores

empleados como la activación ultrasónica pueden ser aplicados o extendidos a procesos

de Química Fina de otro tipo (condensaciones, adiciones, isomerizaciones, etc.),

presentándose como una alternativa interesante para la integración e intensificación de

procesos de mayor compatibilidad ambiental [100-107].

5.3.1 Reacción de propargilación de imidazol

En las últimas décadas, el diseño de catalizadores altamente activos y selectivos

para la producción de compuestos de alto valor añadido está experimentando un

importante auge gracias a la búsqueda de nuevos procesos y metodologías más

eficientes y respetuosas con el medio ambiente que sustituyan los procesos químicos

tradicionales. Para la preparación de catalizadores, se requiere un esfuerzo en el

desarrollo de nuevas metodologías sencillas y efectivas y con bajo impacto

medioambiental conservando e incluso mejorando las propiedades que garanticen la

eficacia funcional del catalizador. Los catalizadores propuestos en la presente memoria

son catalizadores prepados empleando una metodología sencilla y efectiva y que han

demostrado ser altamente activos y selectivos en reacciones de alquilación. Es por ello

que estos catalizadores de carbón fueron empleados en la síntesis de N-

propargilimidazoles tipo A, cuya dificultad de síntesis radica en la dificultad de obtener

el producto deseado con una alta selectividad.

La propargilación de imidazol con bromuro de propargilo es una reacción que

puede conducir a la obtención de 3 productos de reacción (A, B y C) como se muestra

en la Figura 26. A partir de investigaciones previas realizadas en nuestro laboratorio, se

sabe que la reacción transcurre de forma selectiva cuando se emplea activación

microondas [108,109]. Sin embargo, bajo activación térmica convencional, a tiempos


131

prolongados de reacción, se obtiene de forma no selectiva, la mezcla de los 3 isómeros

A, B y C.

La síntesis de N-propargilimidazoles vía alquilación de imidazol con bromuro de

propargilo (Figura 26) se llevó a cabo bajo activación térmica convencional y

activación ultrasónica usando dos catalizadores básicos; Na-Norit y Cs-Norit. El

proceso transcurrió en ausencia de disolvente de manera limpia y eficaz, con una

selectividad del 100 % hacia el producto deseado (A) (espectro de masas m/s: 106(M+),

79(100), 52, 39), siendo los rendimientos cercanos al 80 % cuando se usaba Cs-Norit

como catalizador bajo activación ultrasónica. Cuando la reacción transcurría

empleándose como catalizador el carbón de partida sin tratar (Norit) los valores de

conversión eran bajos, del orden del 7 % bajo activación térmica convencional y del 11

% bajo activación ultrasónica, a 298 K y 120 minutos de reacción. Los resultados

obtenidos para la propargilación de imidazol tanto bajo activación térmica convencional

como bajo activación ultrasónica empleando los catalizadores de carbón alcalinos

mostraron en todo momento una selectividad total hacia el producto N-

propargilimidazol (A). El catalizador Cs-Norit resultó ser el catalizador con mayor

número de centros básicos capaces de abstraer el protón del anillo imidazólico, siendo el

catalizador más activo bajo ambos métodos de activación térmica convencional y

ultrasonidos. El orden de actividad de los carbones alcalinos resultó ser el siguiente: Na-

Norit < Cs-Norit.

Figura 26. Propargilación de imidazol

En las Tablas 15 y 16 se muestran los valores de conversión a las temperaturas

de 298 K y 323 K al emplear el carbón de partida Norit como catalizador.


132

Tabla 15. Propargilación de imidazol empleando como catalizador el soporte Norit sin

tratar

Tiempo (min) Batch Ultrasonidos

298 K 323 K 298 K 323 K

60 3.0 7.0 6.6 10.5

120 7.2 12.0 10.6 14.4

Tabla 16. Propargilación de imidazol empleando los carbones alcalinos como

catalizadores. Tiempo de reacción 120 min

Catalizador T (K) Rendimiento (%)

Batch Ultrasonidos

Na-Norit 298 323

10 19

42 50

Cs-Norit 298 323

20 39

63 75

Los resultados obtenidos en este apartado mostraron que la utilización

combinada de carbones básicos y activación ultrasónica resulta ser un método

alternativo y eficaz para la intensificación selectiva del proceso de síntesis de N-

propargilimidazoles. Además esta metodología Sostenible de trabajo, puede ser

extensible a cualquier otra reacción de propargilación de gran interés en las industrias

de Química Fina, y en particular en las industrias farmacéuticas.


133


134

135

6. CONCLUSIONES

CONCLUSIONES

137

6. CONCLUSIONES

Como resultado de las investigaciones realizadas para la elaboración de la

presente Memoria de Tesis Doctoral, respecto a la medida de basicidad de los

catalizadores carbonosos y a su comportamiento catalítico en reacciones de Química

Fina, pueden extraerse las siguientes conclusiones:

6.1. SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE CARBONES ALCALINOS

1. Se han sintetizado catalizadores de carbón básicos basados en la estructura de carbón

activado RX-1-EXTRA Norit, dopados con metales alcalinos conteniendo un solo metal

(monometálicos, M-Norit) y conteniendo dos metales diferentes (bimetálicos, MM´-

Norit). Se ha determinado la relación entre la composición química de los sólidos

carbonosos preparados y su actividad catalítica en reacciones de catálisis básica para la

síntesis de productos de Química Fina.

2. La incorporación de metales alcalinos en el carbón Norit de partida aumenta la

basicidad del mismo, como lo demuestra las medida de pH, comprendidas entre pH = 8

y pH = 10.4.

3. En relación a los resultados obtenidos en la caracterización textural de los carbones

alcalinos se puede concluir que, la relación carga/radio de los cationes alcalinos

implicados en el intercambio iónico así como la porosidad del soporte, juegan un papel

muy importante en el intercambio de los cationes alcalinos en la estructura del carbón.

Los resultados obtenidos por XPS y análisis térmico mostraron que la cantidad de metal

que se había incorporado al carbón, disminuía de forma general, según aumentaba el

radio del catión alcalino implicado.

6.2. REACCIONES ORGÁNICAS CON FORMACIÓN DE ENLACE C-N

6.2.1. Con respecto a la alquilación de imidazol con 1-bromobutano bajo activación

térmica convencional y bajo activación ultrasónica:

Los carbones alcalinos (Na-Norit, Cs-Norit, K-Norit, NaK-Norit, NaCs-Norit y KCs-

Norit) resultaron ser catalizadores apropiados para llevar a cabo reacciones de Química

Fina y en particular aquellas reacciones catalizadas por bases para la formación de


138

enlaces carbono-nitrógeno como la N-alquilación de heterociclos nitrogenados tipo

imidazol.

1. Los carbones alcalinos monometálicos y bimetálicos poseen centros básicos capaces

de abstraer el protón del grupo NH del anillo imidazólico y reaccionar con haluros de

alquilo para obtener compuestos N-alquilimidazólicos. La reacción fue llevada a cabo

bajo activación térmica convencional (batch) y bajo activación ultrasónica conduciendo

en todos los casos a mejores valores de conversión, y una selectividad del 100 % hacía

el producto N-alquilado en comparación con la reacción blanco y con la reacción

llevada a cabo utilizando el carbón Norit de partida como catalizador.

2. Los resultados obtenidos en la reacción de alquilación de imidazol con 1-

bromobutano mostraron que la basicidad de los carbones alcalinos aumentaba con el

radio del catión alcalino.

3. La presencia de dos metales alcalinos en la matriz carbonosa no supuso un efecto

sinérgico en su actividad catalítica cuando se comparaba con la matriz carbonosa

conteniendo un único tipo de metal alcalino.

4. La modificación de los parámetros como el tamaño de partícula del catalizador y la

velocidad de agitación de la mezcla de reacción no supuso variación apreciable en el

rendimiento de la reacción lo que permitió concluir que no existía control difusional

bajo las condiciones ensayadas con los sólidos carbonosos.

5. A todas las temperaturas estudiadas y con cualquiera de las cantidades de catalizador

utilizadas bajo activación térmica convencional, se estableció el siguiente orden de

actividad para los catalizadores:

Na-Norit < K-Norit< NaK-Norit< NaCs-Norit< KCs-Norit≈Cs-Norit.

Dicho orden de actividad-basicidad era concordante con los datos de caracterización

obtenidos.

6. Los resultados obtenidos en la reacción de N-alquilación de imidazol con 1-

bromobutano sobre las matrices carbonosas alcalinas bajo activación ultrasónica

resultaron ser mejores en todos los casos que bajo activación térmica convencional.

7. La alquilación de heterociclos nitrogenados, utilizando carbones alcalinos bajo

activación ultrasónica, se presenta como una alternativa eficiente a la catálisis

heterogénea utilizada clásicamente en la industria.

CONCLUSIONES

139

8. La alquilación de heterociclos nitrogenados, y en concreto del imidazol, es el primer

paso industrial para la obtención de importantes intermediarios de productos

farmacéuticos con propiedades antivirales. Todos los carbones utilizados en el presente

trabajo, especialmente Cs-Norit y KCs-Norit, resultaron ser muy eficaces empleando

condiciones de reacción suaves. Además, la utilización de ultrasonidos como medio de

activación contribuye a mejorar los rendimientos, manteniendo una elevada

selectividad, que, como es bien sabido, es fundamental en la obtención de productos de

alto valor añadido como son los productos farmacéuticos.

9. Los intermedios N-alquilimidazoles se obtuvieron con rendimientos próximos al 90

% cuando se intensificó el proceso de reacción bajo activación ultrasónica con

catalizadores de carbón activado conteniendo cesio en su estructura, en tan solo 120

minutos de reacción a 333 K.

10. Los resultados obtenidos en el estudio cinético de mecanismo de reacción de la

síntesis de N-alquilimidazoles, constantes cinéticas y energías de activación del proceso,

mostraron que tanto bajo activación térmica convencional (batch) como bajo activación

ultrasónica no existía control difusional de la reacción y que el catalizador Na-Norit era

aproximadamente la mitad de activo que los catalizadores que contenían cesio, Cs-,

NaCs- y KCs-Norit, y ligeramente menos activo que el bimetálico conteniendo potasio,

NaK-Norit.

11. El estudio de la reutilización de los carbones alcalinos en la reacción de N-

alquilación de imidazol mostró que los carbones básicos tras ser reutilizados en tres

ciclos de reacción sucesivos, no mostraban pérdida significativa de actividad catalítica,

mostrando sólo una pérdida de cerca del 5 % a partir del cuarto ciclo de reutilización.

6.2.3. Con respecto a la reacción de propargilación de imidazol con bromuro de

propargilo bajo activación térmica convencional y bajo activación ultrasónica:

Los carbones alcalinos (Na-Norit y Cs-Norit) resultaron ser catalizadores apropiados

para llevar a cabo reacciones de propargilación de heterociclos nitrogenados como la

síntesis de N-propargilimidazoles por formación de enlace carbono-nitrógeno.

1. Los carbones alcalinos monometálicos poseen centros básicos capaces de abstraer el

protón del grupo NH del anillo imidazólico y reaccionar con bromuro de propargilo


140

para obtener compuestos N-propargilimidazólicos. La reacción fue llevada a cabo bajo

activación térmica convencional (batch) y bajo activación ultrasónica conduciendo la

intensificación del proceso por ultrasonidos a valores de conversión más elevados y a

una selectividad del 100 % hacía el producto N-propargilo en comparación con la

reacción blanco.

2. Los resultados obtenidos en la reacción de alquilación de imidazol con bromuro de

propargilo mostraron que la basicidad de los carbones alcalinos aumentaba con el radio

del catión alcalino.

3. La modificación de parámetros como el tamaño de partícula del catalizador y la

velocidad de agitación de la mezcla de reacción no supuso variación apreciable en el

rendimiento de la reacción no existiendo control difusional bajo las condiciones de

reacción empleadas.

4. A todas las temperaturas estudiadas y con cualquiera de las cantidades de catalizador

utilizadas bajo activación térmica convencional, se estableció el siguiente orden de

actividad: Na-Norit < Cs-Norit. Este orden de actividad-basicidad era concordante con

los datos de caracterización obtenidos.

5. Los resultados obtenidos en la reacción de N-propargilación de imidazol sobre los

carbones alcalinos bajo activación ultrasónica resultaron ser mejores en todos los casos

que bajo activación térmica convencional.

6. La propargilación de heterociclos nitrogenados, utilizando carbones alcalinos bajo

activación ultrasónica, se presenta como una alternativa eficiente extensible a otras

reacciones de propargilación útiles en las industrias de Química Fina.

7. La propargilación de heterociclos nitrogenados tipo imidazol, es el primer paso

industrial para la obtención de importantes intermediarios de productos de alto valor

añadido. El carbón alcalino Cs-Norit resultó ser el catalizador más efectivo empleando

condiciones de reacción nada agresivas. La utilización de ultrasonidos como medio de

activación potencia la actividad de los carbones alcalinos contribuyendo a mejorar los

rendimientos y manteniendo una elevada selectividad en la reacción de N-

propargilación.

8. Los intermedios N-propargilimidazólicos se obtuvieron con rendimientos próximos al

80 % cuando se trabajaba bajo activación ultrasónica con catalizadores de carbón

CONCLUSIONES

141

activado conteniendo cesio en su estructura, en tan solo 120 minutos de reacción a 323

K.

9. El estudio de la reutilización de los carbones alcalinos en la reacción de N-

propargilación de imidazol mostraron que los carbones básicos resultaban activos hasta

en cuatro ciclos de reacción sucesivos.


142

CONCLUSIONES

143


144

BIBLIOGRAFÍA

145

7. BIBLIOGRAFÍA


146

BIBLIOGRAFÍA

147

7. BIBLIOGRAFÍA

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